las rocas importan: realidades de la geomecánica

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Las rocas importan: Realidades de la geomecánica

John CookCambridge, Inglaterra

René A. FrederiksenKlaus HasboHess Denmark ApSCopenhague, Dinamarca

Sidney GreenArnis JudzisJ.Wesley MartinRoberto Suárez-RiveraSalt Lake City, Utah, EUA

Jorg HerwangerPatrick HooymanDon LeeSheila NoethColin SayersHouston, Texas, EUA

Nick KoutsabeloulisRobert MarsdenBracknell, Inglaterra

Morten G. Stage DONG EnergyHørsholm, Dinamarca

Chee Phuat TanKuala Lumpur, Malasia

Por su colaboración en la preparación de este artículo, seagradece a Ben Elbel, Dallas; Ian Walton, Rosharon, Texas; y Smaine Zeroug, Clamart, Francia. Se agredece además aHess Denmark ApS, DONG Exploration and Production A/S,Noreco ASA, y Danoil, por haber aportado su estudio de un caso práctico del Mar del Norte.ECLIPSE, Petrel, TerraTek, UBI (generador de ImágenesUltrasónicas de la Pared del Pozo) y VISAGE son marcas de Schlumberger.

Los esfuerzos y la presión actúan sobre todo yacimiento, pozo y terminación. Los

pro cesos de perforación, producción e inyección modifican estos esfuerzos y

presiones, a veces en detrimento del operador. Debido a los avances producidos

en las técnicas de mediciones, modelado y monitoreo geomecánicos, las compañías

de E&P ahora pueden anticipar y mitigar los efectos de los esfuerzos y la presión a

medida que éstos cambian a lo largo de toda la vida productiva de sus campos

petroleros; desde la etapa de eva luación hasta la de abandono.

Si se cambia el esfuerzo que actúa sobre unaroca, ésta se deforma alterando su volumen ygeometría, además de los trayectos del flujo defluido presentes en su interior. Son múltiples losfactores que pueden impactar el régimen de losesfuerzos a los que está sometida una formación,incluyendo el tipo de roca, los ambientes deposi-tacionales, la tectónica regional, los episodios deerosión o levantamiento, las perturbaciones sís-micas locales e incluso las variaciones de lasmareas. Las diferencias en la estructura de lasrocas complican aún más la influencia de talescambios en los esfuerzos.

La manera en que las formaciones reaccionana los cambios de los esfuerzos se está transfor-mando en un asunto de interés creciente para lascompañías de E&P. Los esfuerzos locales en los ya-cimientos, habiendo alcanzado un estado de equi-librio a lo largo del tiempo geológico, son alteradospor el proceso de perforación, producción e inyec-ción. Si los cambios de los esfuerzos inducidos porlas operaciones de perforación o producción no seanticipan, los desafíos y costos que implica el ma-nejo de un área prospectiva pueden exceder de ma-nera significativa las ex pec tativas iniciales de unoperador. Para caracterizar el esfuerzo, la deforma-ción relativa y la deformación presentes en sus ya-cimientos, las compañías de E&P recurren a lageomecánica. Este campo amplio aplica la mecá-nica de los sólidos y fluidos, la ingeniería, la geolo-gía y la física para determinar cómo las rocas y losfluidos que éstas contienen responden a la fuerza oa los cambios en los esfuerzos, la presión y la tem-peratura, producidos por las operaciones de perfo-ración, terminación y producción de pozos.

En el pasado, la mayoría de los departamentosde perforación y producción no estaba particu-larmente al tanto de los esfuerzos presentes enlas formaciones y la geomecánica; muchos yaci-mientos se consideraban técnicamente sencillosy habían experimentado un grado de agota-miento apenas limitado. Pero la declinación delas reservas y los precios favorables del petróleoestán induciendo a los operadores a perforarpozos más profundos e intrincados, a la vez quelas nuevas tecnologías prolongan las vidas pro-ductivas de los campos maduros. Por lo tanto,los operadores están centrando más su atenciónen la geomecánica cuando evalúan las dificultadesque se plantean en las operaciones de perfora-ción y producción; especialmente aquellos quese esfuerzan por proteger sus inversiones enoperaciones de terminación de pozos onerosas,particularmente en áreas prospectivas tectóni-camente activas o de aguas ultraprofundas enambientes de alta presión y alta temperatura.

El hecho de ignorar la importancia de lageomecánica puede acarrear consecuenciasseveras. Un grado excesivo de pérdida de lodo,inestabilidad del pozo, compresión o cizalladurade la tubería de revestimiento, compactación delyacimiento, subsidencia de la superficie, produc-ción de arena, reactivación de fallas y pérdida desello del yacimiento puede, en todos los casos, seruna manifestación de cambios en los esfuerzosejercidos sobre una formación.

Algunos operadores se ven obligados a reaccio-nar a los cambios producidos en los esfuerzos o enla estructura de las rocas a medida que perforan yhacen producir sus pozos. Otros son más proactivos.

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Esfuerzoefectivomayor σ1

Resistenciaa la tracción

Esfuerzo efectivo menor σ3

Resistencia a la compresión uniaxial

A través de las pruebasde núcleos y del modeladogeomecánico de la resistencia,la deformación y el comporta-miento de las rocas sometidas aesfuerzos, están diseñando mejores pozos y desa-rrollando mejor los campos petroleros. En losúltimos tiempos, estos esfuerzos han recibido laasistencia de los centros de excelencia en geo-mecánica recién establecidos en Bracknell,Inglaterra, y en Houston, Texas, y Salt Lake City,Utah, EUA.

Este artículo describe los avances registradosen las técnicas de pruebas de laboratorio relacio-nadas con la geomecánica, y en la simulación ymonitoreo de yacimientos que dan cuenta de la

variación de los es-fuerzos locales. Los estu-

dios de campo, efectuados enel Centro de Excelencia del Laborato-

rio de Geomecánica de Schlumberger y en elCentro de Excelencia en Geomecánica de Yaci-mientos de Schlumberger, muestran cómo estaciencia está ayudando a las compañías de E&P aoptimizar las operaciones de perforación y produc-ción en yacimientos cada vez más desafiantes.

Esfuerzos en el subsueloLos esfuerzos que actúan sobre una formaciónpueden variar en su origen, magnitud y dirección.Los esfuerzos locales verticales naturales son ori-ginados fundamentalmente por el peso de los es-

tratos de sobrecarga. Los esfuerzos ho rizontales poseen además un componente gra vitacional quepuede ser intensificado por la tectónica, los efec-tos térmicos y la estructura geológica. No obs-tante, otros factores tales como la litología, lapresión de poro y la temperatura, inciden en lamagnitud y orientación de los esfuerzos, ademásdel grado en que la roca responde a los esfuerzos.

El esfuerzo, una medida de la fuerza que actúasobre un área determinada, está compuesto porcomponentes normales y componentes de corte.El esfuerzo normal (σ) es el que se aplica enforma perpendicular a un plano o a la superficiede la roca. El esfuerzo de corte (τ) se aplica a lolargo de la cara del plano. Matemáticamente,existe una orientación de ejes ortogonales que

define las direcciones de los esfuerzos para lascuales los esfuerzos de corte son nulos. Esa orien -tación define los ejes de los esfuerzos principales,en los que los esfuerzos aplicados son estricta-mente normales.

A menudo se asume que en los yacimientos,estos ejes principales ortogonales están orientadosen sentido vertical y horizontal (arriba); sin em-bargo, esta condición no suele cumplirse. La mag-nitud y orientación de los esfuerzos presentes en

la Tierra cambian con el echado (buzamiento) es-tructural de la formación, que puede rotar la orien-tación de los esfuerzos principales con respecto alas direcciones vertical y horizontal, así como tam-bién lo puede hacer la presencia de fallas, diapirossalinos, montañas u otras estructuras complejas.1

En la Tierra, donde la deformación está res-tringida, los tres componentes de los esfuerzosestán ligados, y cualquier cambio de esfuerzo enuna dirección es acompañado por cambios de losesfuerzos a lo largo de los ejes ortogonales. Porejemplo, cuando la depositación continua traeaparejadas profundidades de sepultamiento ma -yores, el consiguiente incremento del esfuerzovertical de los estratos de sobrecarga puedegenerar cambios en el esfuerzo horizontal, de -pendiendo del grado en que las formaciones seancapaces de expandirse lateralmente. Esta res-puesta es restringida generalmente por la presen-cia de formaciones adyacentes que confinan ladeformación de la roca. Las diferencias en las pro-piedades de las formaciones también imponencontrastes de esfuerzos entre las litologías adya-centes. Por otro lado, la anisotropía de las forma-ciones puede traducirse en un mayor esfuerzolateral en una dirección que en otra.

Un cuerpo de roca responde al esfuerzo apli-cado a través de diversos modos de deformaciónrelativa (deformación) que producen cambios devolumen y forma, a menudo acompañados porcambios en las propiedades de las rocas (próximapágina, arriba). El espectro de deformación oscilaentre la deformación elástica, o reversible, y ladeformación plástica, o permanente, antes de ter-minar finalmente en la falla de la roca. Ladeformación causada por la compresión, latensión o el esfuerzo de corte puede producirfenómenos de compactación, extensión, trasla-ción o rotación, que se traducen finalmente enrotura por cizalladura, fracturamiento o falla-miento. Además de la magnitud del esfuerzoaplicado, la respuesta de una roca al esfuerzodepende en gran medida del tipo de roca, lacementación, la porosidad y la profundidad desepultamiento. En las areniscas, el tamaño, laforma y el área de los puntos de contacto entrelos granos de roca individuales inciden en ladeformación. En las calizas, la forma y la resisten-cia de la estructura interna de la roca influyen enla deformación.2

Los incrementos pequeños producidos en losesfuerzos generalmente causan una deformaciónpequeña, de la que la roca puede recuperarse.Pasado cierto punto, la roca experimentará unproceso de deformación plástica o fallará. Elmodo de deformación y falla es impuesto por larelación existente entre los cambios producidos

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1. Addis MA: “The Stress-Depletion Response ofReservoirs,” artículo SPE 38720, presentado en laConferencia y Exhibición Técnica Anual de la SPE, San Antonio, Texas, 5 al 8 de octubre de 1997.

2. Geertsma J: “Land Subsidence Above Compacting Oiland Gas Reservoirs,” artículo SPE 3730, presentado en la Reunión Europea de Primavera de las SPE-AIME,Ámsterdam, 16 al 18 de mayo de 1972.

3. Para obtener más información sobre las trayectorias deesfuerzo, consulte: Crawford BR y Yale DP: “ConstitutiveModeling of Deformation and Permeability: Relationshipsbetween Critical State and Micromechanics,” artículoSPE/ISRM 78189, presentado en la Conferencia sobreMecánica de Rocas de las SPE/ISRM, Irving, Texas, 20 al 23 de octubre de 2002.Rhett DW y Teufel LW: “Effect of Reservoir Stress Pathon Compressibility and Permeability of Sandstones,”artículo SPE 24756, presentado en la Conferencia yExhibición Técnica Anual de la SPE, Washington, DC, 4 al 7 de octubre de 1992.Scott TE: “The Effects of Stress Paths on AcousticVelocities and 4D Seismic Imaging,” The Leading Edge26, no. 5 (Mayo de 2007): 602–608.Teufel LW, Rhett DW y Farrell HE: “Effect of ReservoirDepletion and Pore Pressure Drawdown on In-SituStress and Deformation in the Ekofisk Field, North Sea,”Transcripciones del 32o Simposio sobre Mecánica deRocas de EUA. Rótterdam, Países Bajos: A.A. Balkema(1991): 63–72.

4. Existe una relación entre la trayectoria de los esfuerzos, el esfuerzo de corte y el esfuerzo medio. Mientras latrayectoria de los esfuerzos (K) puede expresarse como K = Δσ3/Δσ1, el esfuerzo de corte (Q) se expresa como(Q = σ1-σ3), y el esfuerzo medio efectivo (P') es [P' = (σ1+σ2+σ3)/3]. En las pruebas de esfuerzosuniaxiales de laboratorio, en las que los esfuerzosprincipales mínimo e intermedio se consideran iguales(σ2 = σ3), la pendiente η en el plano P'-Q , correspon -diente a la trayectoria de los esfuerzos K, está dada por esta ecuación, según Crawford y Yale (referencia 3):

5. Doornhof D, Kristiansen TG, Nagel NB, Pattillo PD ySayers C: “Compactación y subsidencia,” OilfieldReview 18, no. 3 (Invierno de 2006/2007): 50–69.

6. Addis, referencia 1.7. Choi SK y Tan CP: “Modeling of Effects of Drilling Fluid

Temperature on Wellbore Stability,” Transcripciones,Simposio sobre Mecánica de Rocas en IngenieríaPetrolera de las SPE/ISRM, Trondheim, Noruega (8 al 10 de julio de 1998): 471–477.Li X, Cui L y Roegiers J: “Thermoporoelastic Analysis for Inclined Borehole Stability,” Transcripciones,Simposio sobre Mecánica de Rocas en IngenieríaPetrolera de las SPE/ISRM, Trondheim, Noruega (8 al 10 de julio de 1998): 443–452.

>Esfuerzos locales y esfuerzos principales. Los esfuerzos aplicados sobre uncubo de material, sepultado en la tierra, se designan como σV, σH y σh, dondeV indica la dirección vertical, H indica la dirección del mayor esfuerzo horizo n taly h, la dirección del menor esfuerzo horizontal. Por razones de simpli cidad, amenudo se asume que éstas son las direcciones de los esfuerzos principales,pero las direcciones principales de esfuerzo pueden ser rotadas en forma sig-nificativa con respecto a estos tres ejes. Los esfuerzos principales se indicanen general como σ1, σ2 y σ3, en orden de magnitud decreciente. Cuando lasdirecciones de los esfuerzos principales no coinciden con las direccionesvertical y horizontal, también habrá esfuerzos de corte sobre las caras delcubo en la orientación mostrada.

σV

σV

σHσH

σh


en el esfuerzo máximo y en el esfuerzo mínimo(derecha, extremo inferior). Esta relación sedenomina trayectoria de los esfuerzos.3 En lageomecánica petrolera, la trayectoria de losesfuerzos (K) es convencionalmente la relaciónexistente entre el cambio producido en elesfuerzo horizontal mínimo efectivo y el cambioproducido en el esfuerzo vertical efectivo, oesfuerzo de sobrecarga respecto de las condicio-nes de yacimiento iniciales durante la caída depresión de fluido, ex presada en forma más simplecomo K = Δσ3/Δσ1. Esto también puede expre-sarse en términos de cambios del esfuerzo decorte (Q) y cambios del esfuerzo medio (P' ),como se muestra en el diagrama P'-Q.4

Una situación de esfuerzos relativamentebajos, implica que la roca fallará por esfuerzo decorte, generando un plano de corte. La resistenciaa la cizalladura se incrementa al incrementarseel esfuerzo de confinamiento lateral que actúasobre la roca. Donde se observan situaciones demayores esfuerzos, la roca experimenta un procesode compactación o reducción de la porosidad.Este fenómeno es más común en las rocas blan -das, de alta porosidad, tales como la creta, lasareniscas porosas y la diatomita.5 Si se sometena esfuerzos diferenciales, otras rocas, tales comolas sales, tenderán a fluir con el tiempo parareducir los esfuerzos de corte y desplazarse aestados de los esfuerzos hidrostáticos.

Para manejar los yacimientos, las compañíasde petróleo y gas deben enfrentar una diversidadde factores asociados a los esfuerzos de fondo depozo, no causados en todos los casos por los es -tratos de sobrecarga o la tectónica. La presiónde poro, las diferencias de temperatura y lasinteracciones químicas también pueden produ-cir perturbaciones localizadas en la orientacióny magnitud de los esfuerzos.

El esfuerzo y la presión de poro están intrínse-camente ligados.6 En los espacios porosos de lasformaciones, el esfuerzo se transmite a los líqui-dos o a los gases en forma de presión. La mag nitudde la presión aplicada en cualquier dirección esla misma para todas las direcciones. Si es compri-mido, un fluido reacciona ejerciendo una presiónequivalente y opuesta hacia afuera. Bajo presión,los fluidos alojados en los poros a menudo absorbenparte del esfuerzo impuesto sobre una formación.Por eso, la presión de poro es un componente im-portante del esfuerzo neto aplicado a un cuerpode roca.

La temperatura es otra variable que contri-buye con el régimen general de los esfuerzos. Lasdiferencias de temperatura entre los fluidos deperforación y las formaciones en el fondo del pozoproducen un fenómeno de transferencia térmica

entre los dos medios. Dada la baja conductividadtérmica de la mayoría de las rocas, estas variacio-nes de temperatura generan gradientes grandesde deformación relativa, que pueden producirfracturamiento severo y realineaciones de los es-fuerzos. Dado que la expansión térmica del agua

en el espacio poroso es mucho mayor que la que seproduce en la matriz de la roca, el calor transfe-rido a una formación por el fluido de perforacióngenerará una mayor expansión volumétrica delfluido alojado en los poros y un incremento corres-pondiente en la presión de poro.7

>Diagrama del esfuerzo en función de la deformación relativa. Las rocas queexperimentan procesos de deformación elástica almacenan energía de defor -mación a medida que cambia su volumen. Cuando se remueven los esfuerzosde borde aplicados, la roca vuelve a su estado de deformación original, mien -tras que la energía de deformación retorna a su valor original. Con la aplicaciónde un mayor esfuerzo, las rocas experimentan procesos de deformación inelás -tica a medida que se producen cambios estructurales internos, no recuperables(que comienzan en el umbral de fluencia plástica), tales como la presencia demicrofisuras debidas a la tracción, la trituración de granos o el deslizamiento enlos límites intergranulares. Estos cambios producen una deformación volumé -trica permanente, a menudo aludida como deformación plástica. Los esfuerzosmás altos tarde o temprano hacen que la roca falle (punto de fractura), como loilustra el proceso de trituración o fracturamiento de los granos y el cementoconstituyentes o la disolución de los minerales.

Esfu

erzo

Umbral de fluenciaplástica (yield point)

Punto de fractura

Campo dúctil

Campo elástico

Deformación relativa

>Distorsión y falla. Los modos claros de distorsión y falla pueden graficarsecomo una función del esfuerzo de corte (Q) y del esfuerzo efectivo medio (P').Con un valor de P' relativamente bajo y un valor de Q relativamente alto, lafalla de la roca se produce habitualmente como un esfuerzo de corte loca li -zado, a lo largo de un plano orientado de manera tal que forma un ángulo conlos ejes de los esfuerzos principales. Con un valor de P' relativamente alto yun valor de Q relativamente bajo, las rocas pueden experimentar fenómenosde compactación o de aplastamiento de poros. (Adaptado de Scott,referencia 3.)

Dilatación

Compactación

Región cercana acondiciones elásticas

Esfuerzo efectivo medio (P'): (σ1 + σ2 + σ3) / 3

Esfu

erzo

de

corte

(Q):

σ 1 – σ

3

Estadosimposibles

Línea

de es

tado c

rítico

Superficie de compactación

falla por cizalladura

Superficie de

p

or tr

acció

n

Supe

rficie

de fa

lla

Superficie de falla dúctil

La expansión térmica de la matriz de la rocabajo condiciones restringidas generará más es -fuerzo. Una reducción del soporte efectivo dellodo se asocia a menudo con un incremento dela presión de poro. Esta reducción, junto con laexpansión térmica de la matriz, generará condi-ciones menos estables del pozo. Contrariamente,el enfriamiento de la formación puede crearcon diciones más estables debido a la reducciónde la presión de poro y del esfuerzo tangencial.La reducción del esfuerzo tangencial tambiénpuede traducirse en un gradiente de fractura-miento hidráulico más bajo, y, en casos extremos,el esfuerzo tangencial se volverá negativo e ini-ciará la fractura hidráulica.

Los esfuerzos locales y la presión de porotambién pueden ser afectados por las interaccio-nes entre la roca y el fluido de perforación. Laslutitas, que representan la mayor parte de lassecciones perforadas en la mayoría de los pozos,son particularmente sensibles a los fluidos deperforación. Un tanto porosas y usualmentesaturadas con agua de formación, estas rocaspueden ser susceptibles a las reacciones quími-

cas con ciertos fluidos de perforación. Cuandouna formación se perfora con un fluido incompa-tible, la invasión de filtrado puede hacer que lalutita se dilate, lo que puede provocar el debi -litamiento de la roca y la inestabilidad de lospozos. Las lutitas también pueden ser suscepti-bles a los cambios del soporte efectivo del lodo,dependientes del tiempo, causados por las dife-rencias entre la presión del lodo y la presión delfluido en los poros, o entre la salinidad del fluidode perforación y la salinidad de la formación.8

Por otro lado, los cambios de volumen de las luti -tas, que surgen de las interacciones entre laslutitas y el fluido de perforación, pueden pertur-bar localmente la orientación y la magnitud delos esfuerzos presentes en un pozo.

De este modo, si bien los esfuerzos tectónicoslocales y regionales desempeñan un rol centralen la deformación de las rocas, también debenconsiderarse otros factores de fondo de pozo,tales como la presión de poro, el peso del lodo ylas fluctuaciones de la presión, la temperatura yla química de fondo de pozo, por sus claras con-tribuciones a la relación entre los esfuerzos

locales y las deformaciones. Sus efectos puedenser atemperados además por las propiedadestexturales únicas de la litología local, tales comoel tamaño y la distribución de los granos y porosque constituyen el esqueleto de la roca, la mi -neralogía y la composición de los cementosdiagenéticos. Dada la diversidad de reaccionesque tienen lugar ante la presencia de esfuerzos,es crucial que un operador sepa todo lo posibleacerca de las rocas que rodean un pozo y lascondiciones a las que dicho pozo será sometido.

Cambios producidos en los esfuerzosLas actividades de perforación y producción afec -tan el estado de los esfuerzos locales. Los problemasque surgen durante las operaciones de perfora-ción pueden presagiar las dificultades que apare-cerán subsiguientemente durante la fase deproducción. Los cambios en el estado de los es-fuerzos pueden producir la falla de las rocas y estocausar problemas de inestabilidad del pozo du-rante la perforación. A su vez, estos cambios pue-den conducir posteriormente a problemas deproducción de arena, cuando el pozo ya ha sidoterminado. Otras actividades llevadas a cabo du-rante la vida productiva de un campo petroleropueden generar cambios en la presión de poro y latemperatura, que probablemente modifiquen losesfuerzos que actúan desde mayores distancias alpozo. Los cambios del estado de los esfuerzos nosólo afectan el yacimiento sino también las forma-ciones adyacentes.

La actividad de perforación perturba el equi-librio inicial de los esfuerzos presentes en laregión vecina al pozo. Dado que a través de la per-foración se excava un volumen cilíndrico de roca,los esfuerzos ejercidos con anterioridad sobre esevolumen deben ser transferidos a la formaciónadyacente. Este proceso crea esfuerzos tangen-ciales, o radiales, que deben ser soportados por laroca que rodea el pozo. Los esfuerzos ejercidos enel pozo son una función del peso del lodo, la incli-nación del pozo, el ángulo y el azimut del echadode la formación, y la magnitud y orientación delos esfuerzos de campo lejano (σV, σH y σh). Elesfuerzo radial varía considerablemente en fun-ción del radio y el azimut del pozo.9 Por otrolado, puede exceder considerablemente el valorde σH (arriba, a la izquierda).

En la mayoría de las operaciones de perfora-ción convencionales, los perforadores utilizan lapresión hidráulica del fluido de perforación comosustituto del soporte mecánico que se pierde a tra-vés del volumen cilíndrico de la roca excava da du-rante la perforación de un pozo. Esencialmente,reemplazan un cilindro de roca por un cilindro defluido de perforación. No obstante, la presión del

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>Vista en planta de los esfuerzos radiales que rodean un pozo vertical. En estemodelo, la presión de poro y la presión del pozo son iguales, mientras que elesfuerzo efectivo mínimo y el esfuerzo efectivo máximo, presentes dentro dela formación, equivalen a 2,000 lpc y 3,000 lpc [13.8 y 20.7 MPa], respecti va -mente. No obstante, el esfuerzo radial, que varía como una función del radio y el azimut, es intensamente compresivo a lo largo del azimut alineado con elesfuerzo horizontal mínimo (σh) (sombreado rojo, por encima y por debajo delpozo), donde alcanza casi 7,000 lpc [48.3 MPa]. Es más probable que la falladel pozo se produzca a lo largo de este eje. (Adaptado de Sayers et al,referencia 9.)

σH = 3,000 lpcσH = 3,000 lpc

σh = 2,000 lpc

σh = 2,000 lpc

2,000 3,000 4,000 5,000

Esfuerzo radial, lpc

6,000

Pozo

7,000


lodo es uniforme en todas las direcciones y nopuede equilibrarse contra los esfuerzos de corteorientados presentes en una formación. A medidaque el esfuerzo se redistribuye alrededor de lapared del pozo, los esfuerzos de corte pueden ex-ceder la resistencia de la roca. Si esto ocurre, elpozo se deformará o fallará por completo.

Algunos ejemplos típicos de problemas deperforación relacionados con la geomecánicaincluyen la inestabilidad del pozo y el fractura-miento de la formación. Las ramificaciones deesos problemas comprenden costos resultantesde la pérdida de circulación, los golpes de pre-sión, el atascamiento de las tuberías, las sartasde revestimiento adicionales, las desviacionesforzadas de la trayectoria del pozo, e incluso elabandono del pozo. Para mantener la estabili-dad del pozo, los operadores deben desarrollarplanes de perforación y construcción de pozosque contemplen la magnitud y dirección de losesfuerzos, el peso del lodo, la trayectoria y lapresión de poro, durante y después de la perfora-ción de un pozo.

Los perforadores manejan las presiones ejerci-das por el peso del lodo para evitar problemas deestabilidad de los pozos. El control de la hidráu-lica del pozo que realizan refleja la adopción deun enfoque de un problema geomecánico basadoen la ingeniería petrolera. Durante la perfora-ción, los pozos pueden verse comprometidos através de una diversidad de modos de fallasinducidas por el lodo:10

• La falla por tracción se produce mediante elincremento de la presión del lodo hasta que lapared del pozo ingresa en un estado de ten-sión y finalmente excede la resistencia a latracción de la roca. Esto fractura la roca a lolargo de un plano perpendicular a la direccióndel esfuerzo mínimo, lo que a menudo se tra-duce en problemas de pérdida de circulación.

• La falla por compresión puede ser causada porel peso del lodo, que es demasiado bajo o de -masiado alto. En cualquiera de los dos casos, laformación se desmorona o se fragmenta, produ-ciendo daños al pozo y ovalizaciones por rup-tura de la pared del pozo (arriba, a la derecha). A menos que el pozo haya sido limpiado correc-tamente, la acumulación de los escombros pro-ducidos por las ovalizaciones puede ocasionarel atascamiento de las tuberías por desmorona-mientos o colapso del pozo.

• El desplazamiento por esfuerzo de corte seproduce cuando la presión del lodo es suficien-temente alta como para reabrir las fracturasexistentes intersectadas por el pozo. Cuando unafractura se abre, los esfuerzos presentes a lolargo de la abertura se liberan provisoriamente,

permitiendo que las caras opuestas de la frac-tura sean sometidas a esfuerzos de corte. En elpozo, esto crea una dislocación pequeña peropotencialmente peligrosa.

La estabilidad del pozo es afectada ademáspor factores estructurales, tales como la interac-ción existente entre la inclinación del pozo, elechado de la formación y las variaciones direc-

8. Gazaniol D, Forsans T, Boisson MJF y Piau JM:“Wellbore Failure Mechanisms in Shales: Prediction and Prevention,” artículo SPE 28851, presentado en laConferencia Europea del Petróleo de la SPE, Londres, 25 al 27 de octubre de 1994.Mody FK y Hale AH: “A Borehole Stability Model toCouple the Mechanics and Chemistry of Drilling FluidInteraction,” en Transcripciones, Conferencia dePerforación de las SPE/IADC, Ámsterdam (22 al 25 de febrero de 1993): 473–490.Tan CP, Rahman SS, Richards BG y Mody FK: “IntegratedApproach to Drilling Fluid Optimization for Efficient ShaleInstability Management,” artículo SPE 48875, presentadoen la Conferencia y Exhibición Internacional de Petróleoy Gas de la SPE, Beijing, 2 al 6 de noviembre de 1998.van Oort E, Hale AH y Mody FK: “Manipulation of CoupledOsmotic Flows for Stabilization of Shales Exposed toWater-Based Drilling Fluids,” artículo SPE 30499,presentado en la Conferencia y Exhibición TécnicaAnual de la SPE, Dallas, 22 al 25 de octubre de 1995.

9. Sayers CM, Kisra S, Tagbor K, Dahi Taleghani A y AdachiJ: “Calibrating the Mechanical Properties and In-SituStresses Using Acoustic Radial Profiles,” artículo SPE110089-PP, presentado en la Conferencia y ExhibiciónTécnica Anual de la SPE, Anaheim, California, EUA, 11 al 14 de noviembre de 2007.

10. Para obtener más información sobre problemas deestabilidad de pozos, consulte: Addis T, Last N, BoulterD, Roca-Ramisa L y Plumb D: “The Quest for BoreholeStability in the Cusiana Field, Colombia,” Oilfield Review5, no. 2 y 3 (Abril/Julio de 1993): 33–43.

>Ovalización por ruptura de la pared del pozo. Los resultados obtenidos conel generador de Imágenes Ultrasónicas de la Pared del Pozo UBI muestranel alcance del daño relacionado con los esfuerzos en un pozo. En las rocasisotrópicas o transversalmente isotrópicas, en las que las propiedades de laroca no cambian a lo largo del plano del pozo, dicho daño se alinea por logeneral a lo largo de un plano de esfuerzo horizontal mínimo.

5,321

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Radio, pulgadas

Prof

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cionales de la resistencia entre los planos deestratificación de las formaciones y a lo largo dedichos planos (abajo, a la derecha). No es inu-sual que se produzca cierto grado de falla delpozo en los pozos verticales que intersectan luti-tas de inclinación pronunciada, o en los pozosinclinados que intersectan los planos de estrati-ficación de las lutitas formando ángulos bajos.Tales fallas son iniciadas por la presencia debajos esfuerzos de corte y baja resistencia a latracción a lo largo de los planos de debilitamientode las lutitas.11

El tema de la resistencia, o la capacidad deuna roca para tolerar el esfuerzo, pone de mani-fiesto una influencia subyacente importante conrespecto a la deformación y la falla: la de la es-tructura interna de la roca.12 La estructura internade la roca puede determinar si una determinadamagnitud del esfuerzo hará que una roca se defor -me o falle por completo, y puede incidir en el al-cance y la orientación de las fracturas o lasovalizaciones de un pozo. Por lo tanto, si bien ha-bitualmente se asume que la ovalización por rup-tura de la pared del pozo se orienta a lo largo deleje de esfuerzo mínimo, la estratificación, cemen-tación, mineralogía y granulometría de una rocapueden redirigir concretamente el curso de unaovalización a lo largo de los puntos más débiles dela roca.

Por su colaboración para anticipar y evitarproblemas tales como los descriptos precedente-mente, algunos operadores están recurriendo alos especialistas en geomecánica del Centro deExcelencia de Schlumberger para la Predicciónde la Presión de Poro y el Análisis de la Estabilidadde los Pozos. Ubicados en Houston, los especia-listas en geomecánica de este grupo poseen unalcance global y brindan soporte a operadoresde todo el mundo. Este equipo interdisciplinarioparticipa activamente asesorando a los clientespara ayudarles a mitigar el riesgo asociado conlas operaciones de perforación, terminación yproducción de pozos en ambientes geomecánicoscomplejos, tales como los de exploración en aguasprofundas, perforación en formaciones subsalinas,yacimientos de gas no convencionales y yacimien-tos no consolidados.

Más allá del pozoLas influencias geomecánicas pueden trascenderel pozo, adentrándose en el yacimiento y más alláde éste; si bien su alcance probablemente no sereconozca hasta que se explote un yacimiento. El centro de baja presión creado por un pozo parainducir la producción, generará presiones de pozomás bajas que la presión de poro de la formaciónadyacente, y esta diferencia puede incrementar elriesgo de falla de la roca.13

Con la extracción de los fluidos de yacimientodurante la producción, el peso de los estratos desobrecarga que soportan los fluidos alojados en losporos debe ser transferido al esqueleto de la rocaque rodea el espacio poroso. Los cambios consi-guientes en la presión de poro inducirán ajustesen los esfuerzos totales y en los esfuerzos efecti-vos. Dentro de la roca, el incremento del peso pro-ducirá diversos grados de deformación o falla,evidenciados por el des lizamiento y la rotación delos granos, la deformación plástica, la rotura delcemento en los contactos entre los granos o la ac-tivación de las fracturas existentes.14

En una escala más grande, los cambios de losesfuerzos inducidos por las operaciones de pro-ducción que actúan sobre el esqueleto de la roca,pueden conducir al aplastamiento de los poros yla compactación del yacimiento.15 (Sin embargo, lacompactación no siempre es un problema; elempuje que genera la compactación ha ayudado apresurizar el petróleo en ciertos yacimientos,incrementando de ese modo los regímenes deproducción y mejorando la recuperación final).16

Como resultado, los operadores han tenido queenfrentar problemas de subsidencia de la super-ficie, deformación o cizalladura de los tubularesde los pozos, y torceduras de los elementos defondo de pozo. Otros efectos incluyen desde lareducción de la porosidad y la permeabilidad,hasta la reactivación de las fallas, el fractura-miento de las formaciones, la producción de arenao la pérdida de sello del yacimiento.

Los efectos de la geomecánica son espe cial -mente pronunciados en las operaciones de alma-cenamiento de gas, donde el proceso cíclico deinyección y extracción de gas en un yacimientoprovoca cambios en las presiones de los fluidos

que se encuentran dentro de los espacios porososdel yacimiento. Estas presiones amortiguan los es-fuerzos que actúan sobre la masa rocosa, pero laspresiones se incrementan o reducen con los pro-cesos de inyección y extracción. De este modo, lascargas que actúan sobre la matriz de la roca se re-ducen e incrementan en respuesta a estos ciclos.Si bien el esfuerzo total de los estratos de sobre-carga puede permanecer constante a lo largo detodos estos ciclos, los esfuerzos horizontales tota-les que actúan en todo el yacimiento pueden va-riar con la presión, reduciéndose en general amedida que se extrae el gas. Si los esfuerzos indu-cidos exceden los límites elásticos de la roca, esprobable que la porosidad y la permeabilidad sereduzcan en forma permanente, lo que se suma alas reducciones de la capacidad de almacena-miento global. Por otro lado, conforme la rocaadyacente se ajusta al desequilibrio isostáticocausado por la fluctuación de la presión y los cam-bios en el estado de los esfuerzos, puede sucederque las fallas cercanas se reactiven.17

Los cambios inducidos por las operaciones deproducción también pueden afectar la roca, másallá de las áreas productivas de un yacimiento. In-cluso en las formaciones productivas, los atribu-tos de los yacimientos, tales como la porosidad yla permeabilidad, pueden variar, ge nerando unproceso irregular de drenaje y agotamiento. A me-dida que se explota un yacimiento, la roca puedecompactarse dejando que las áreas de la forma-ción, contiguas y sin drenar, compensen los cam-bios producidos en la presión y el desplazamientode la roca adyacente. Por encima de la formaciónproductiva, la com pactación producirá cambiosen el esfuerzo de sobrecarga, como se describemás adelante.

44 Oilfield Review

>Efectos de las formaciones sobre la estabilidad de los pozos. Los factoresestructurales y estratigráficos pueden combinarse para dañar el pozo. En estecaso, se observan capas incompetentes que sobreyacen una formación másresistente cerca de la cresta de una estructura; el movimiento relativo producedaños en el cemento y el aplastamiento de la tubería de revestimiento.


Los cambios de los esfuerzos impuestos sobreun horizonte productivo pueden desequilibrar laroca con respecto a sus adyacencias. El resultadoes una transferencia correspondiente de los esfuer-zos, entre el yacimiento en proceso de agotamientoo el intervalo de inyección y la roca inmediatamentecontigua al yacimiento. Las consiguientes deforma-ciones de la roca pueden comprometer la integri-dad de las terminaciones existentes, dentro delyacimiento y de los estratos de sobrecarga (arriba).La importancia de los cambios de los esfuerzos in-ducidos por la producción, y su potencial para inci-dir adversamente en las operaciones de campo, laproducción y la rentabilidad, dependerán de laspropiedades mecánicas de las rocas, las fracturasnaturales y las fallas.18 Para comprender y antici-par esos cambios en el pozo y más allá del pozo, los

operadores están recurriendo cada vez con másfrecuencia a las técnicas geomecánicas avanza-das de pruebas y modelado.

Mediciones obtenidas sobre el terrenoA pesar de años de análisis geomecánico, muchascompañías de E&P continúan experimentandoproblemas inducidos por las operaciones de per-foración o de producción. No obstante, el campode la geomecánica abarca mucho más que el aná-lisis de los esfuerzos. Si bien los cambiantescampos de los esfuerzos pueden causar estragosen los planes de perforación y producción, laorientación o la magnitud de los esfuerzos y lasdeformaciones relativas revisten poca importan-cia si esas mediciones no se enmarcan en elcontexto de la roca propiamente dicha. Y las

rocas son extremadamente variables. Otros pro-blemas son causados, en parte, por lacarac terización excesivamente simplificada delcomportamiento de las rocas, y por las capacida-des limitadas de modelado y análisis, lo que seagrava debido a la falta de datos globales de pro-piedades de las rocas.

Estas cuestiones están siendo encaradas porel Centro de Excelencia del Laboratorio de Geo-mecánica de TerraTek, en Salt Lake City, Utah.TerraTek, Inc. fue adquirida por Schlumberger enjulio de 2006 (véase “El laboratorio de geomecá-nica: Pruebas en condiciones extremas,” página48). Los sistemas y las técnicas modernas depruebas de alta presión, desarrollados en el cen-tro de TerraTek, evolucionaron a partir de unesfuerzo para caracterizar y anticipar el movi-miento del suelo y la formación de cráteres, enrespuesta a las pruebas nucleares. La evaluaciónde estas pruebas no podía realizarse sin medi-ciones de las propiedades de las rocas ob tenidasbajo condiciones de alta presión. La medición deestas propiedades era muy difícil y generó unaserie de adelantos técnicos de parte de TerraTek.

La disponibilidad de mediciones de la rela-ción carga-deformación de alta precisión eraesencial y requería la obtención de medicionesdentro de recipientes de prueba sometidos acondiciones de presión extremas. Los científicosde TerraTek llevaron a cabo tareas de investiga-ción para medir las propiedades de las rocashasta presiones de 150,000 lpc [1,034 MPa]. Losdatos de propiedades de las rocas en condicio-nes de alta presión de TerraTek posibilitaron elanálisis de la magnitud de los movimientos delsuelo causados por un evento nuclear.

Los investigadores de TerraTek llevaron a cabodecenas de miles de pruebas en rocas bajo condi-ciones de alta presión. Sus capacidades de pruebase aplicaron subsiguientemente a otras investiga-ciones geomecánicas, incluyendo la recuperaciónde la energía geotérmica, la explotación del car-bón, el almacenamiento geológico profundo deresiduos nucleares y el almacenamiento subte -rráneo de energía, además de la recuperación de

>Cambios de los esfuerzos inducidos por la producción. A medida que uncampo se agota, la magnitud de los esfuerzos puede alterarse drástica mente.Bajo dichas condiciones, una terminación o un disparo orientado originalmenteen la dirección más estable en el momento del inicio de la producción, puedevolverse inestable y fallar subsiguientemente a medida que se desarrolla elproceso de producción. En este ejemplo, el disparo horizontal posibilitará lamayor caída de presión segura (curva azul) y un proceso de producción libre desólidos. No obstante, a medida que el campo se agote y los esfuerzos cambien,este disparo previamente estable colapsará y el disparo vertical asumirá un rolmás importante en la produc ción, aunque la caída de presión segura se hayareducido (curva roja). Adaptado de Marsden, referencia 18.)

Caída depresión segura

AgotamientoPr

esió

n de

l poz

o, lp

c

Presión del yacimiento, lpc

0 3,000 6,000 9,000 12,000 15,000

15,000

12,000

9,000

6,000

3,000

0

11. Aoki T, Tan CP y Bamford WE: “Stability Analysis ofInclined Wellbores in Saturated Anisotropic Shales,” enSiriwardane HJ y Zaman MM (eds): Computer Methodsand Advances in Geomechanics: Proceedings of theEighth International Conference on Computer Methodsand Advances in Geomechanics, Morgantown, VirginiaOeste, EUA, 22 al 28 de mayo de 1994. Rótterdam, PaísesBajos: A.A. Balkema (1994): 2025–2030.Yamamoto K, Shioya Y, Matsunaga TY, Kikuchi S yTantawi I: “A Mechanical Model of Shale InstabilityProblems Offshore Abu Dhabi,” artículo SPE 78494,presentado en la 10a Exhibición y ConferenciaInternacional del Petróleo de Abu Dhabi, Abu Dhabi,Emiratos Árabes Unidos, 13 al 16 de octubre de 2002.

12. La estructura interna (fabrics) de las rocas es untérmino que abarca de manera aproximada el contenidoen minerales, el tamaño, forma, orientación y

cementación de los granos componentes de una roca,incluyendo su disposición general en forma delaminaciones microscópicas o capas más grandes.

13. Cook J, Fuller J y Marsden JR: “GeomechanicsChallenges in Gas Storage and Production,” presentadoen el Consejo Económico y Social de las NacionesUnidas: Comisión Económica para Europa: Grupo deTrabajo sobre Gas: Transcripciones del 3er Taller sobreSeguridad Geodinámica y Ambiental en el Desarrollo,Almacenamiento y Transporte de Gas, San Petersburgo,Rusia, 27 al 29 de junio de 2001.

14. Sayers CM y Schutjens PMTM: “An Introduction toReservoir Geomechanics,” The Leading Edge 26, no. 5 (Mayo de 2007): 597–601.

15. Doornhof et al, referencia 5.

Sayers C, den Boer L, Lee D, Hooyman P y Lawrence R: “Predicting Reservoir Compaction and CasingDeformation in Deepwater Turbidites Using a 3DMechanical Earth Model,” artículo SPE 103926,presentado en la Primera Conferencia y ExhibiciónInternacional de Petróleo, Cancún, México, 31 de agosto al 2 de septiembre de 2006.

16. Andersen MA: Petroleum Research in North Sea Chalk,Joint Chalk Research Monograph, RF-RogalandResearch, Stavanger, 1995.

17. Cook et al, referencia 13.18. Marsden R: “Geomechanics for Reservoir

Management,” en la Conferencia sobre Evaluación de Pozos de Sonatrach-Schlumberger– Argelia 2007.Houston: Schlumberger (2007): 4.86–4.91.

petróleo y gas. Hoy, el Centro de Excelencia delLaboratorio de Geomecánica de TerraTek realizapruebas de rocas para pozos profundos en formaregular, alcanzando presiones de 30,000 lpc [207 MPa], o incluso más altas, oscilantes entre50,000 y 60,000 lpc [345 y 414 MPa], cuando se re-quiere para la perforación, la destrucción de laroca o el análisis de las operaciones de disparos.Además de las capacidades de pruebas geomecáni-cas de alta presión, el centro TerraTek realizapruebas de desempeño de las operaciones de per-foración y terminación de pozos en gran escala.

Las pruebas especiales de laboratorio, re la -cio nadas con la geomecánica, proveen datoscruciales para el diseño de los pozos y las ope -raciones de terminación, y para el manejo deyacimientos, que antes no siempre estaban dis-ponibles. El análisis de ingeniería tradicionaldel potencial y la productividad de los yacimien-tos tendía a ignorar la heterogeneidad de la rocayacimiento. Si bien la heterogeneidad puedehaber sido captada en los registros de pozos y en

las fotografías de núcleos, o haberse inferido apartir de los registros de diversas propiedadespetrofísicas, estas características no se refleja-ban en sistemas homogéneos simplificadoscreados para los modelos geomecánicos y losmodelos de yacimientos.

Las propiedades relacionadas con la mecánicade las rocas prospectivas se caracterizaban a me-nudo como uniformes a lo largo de todas las loca-lizaciones y para todas las orientaciones, dentrode una unidad geológica determinada. Este enfo-que inevitablemente se traducía en subestimacio-nes del rol de las propiedades de los materialesen la geomecánica. Sin embargo, la industria seestá dando cuenta de que las rocas importan y deque sus propiedades variables no pueden ser ig-noradas en el análisis geomecánico.

Para complicar aún más el proceso de evalua-ción, se plantea el hecho de que cada etapa delanálisis de yacimientos—desde los estudios geoló-gicos previos a la perforación hasta la exploración,

y el modelado y la producción de yacimientos—tiende a ser evaluada en forma aislada y sin unareferencia a una escala común. Hasta hace poco,no existía un esquema conceptual que hiciera elproceso consistente para cada etapa. No obstante,el desarrollo de la técnica de obtención de regis-tros continuos de las propiedades de las rocas y elanálisis multidimensional de grupos de registrosde pozos (cluster anlaysis), ahora provee una es-cala de referencia uniforme para la incorporaciónde la heterogeneidad durante todos los aspectosdel análisis y la evaluación de yacimientos.

Obtención de registros continuos—La pruebade raspadura, conocida formalmente como ob -tención de registros continuos de la resistenciaa la compresión no confinada, provee una formacuantitativa de evaluar la variabilidad de la re -sistencia, la textura y la composición de lasmuestras de núcleos. Por asociación, esta variabi-lidad puede relacionarse con otras propiedadesde las rocas. La prueba de raspadura se ha vueltocrucial para la definición correcta de facies y he -terogeneidades, que serían difíciles o impo siblesde observar solamente a partir de la descripcióngeológica o de las características de los registros.Las fotografías digitales del núcleo, junto con laprueba de raspadura, permiten la visualización dela heterogeneidad textural y la heterogeneidad dela resistencia asociada (izquierda).

Cuando la obtención de registros continuosde resistencia se combina con el análisis degrupos de registros de pozos, provee relacionesfundamentales para el re-escalado, por lo queconstituye una herramienta poderosa para laintegración de los núcleos con los registros.

Análisis de grupos—Este análisis define laheterogeneidad a escala de registros en base alanálisis multidimensional de las respuestas delos registros (próxima página, izquierda). Estatécnica utiliza algoritmos detallados para distin-guir patrones similares y disímiles de respuestasde los registros. Dado que interpreta el efectocombinado sobre todas las mediciones, puedereconocer variaciones pequeñas pero consistentesde las respuestas combinadas de los registros.Aplicado a las distribuciones heterogéneas delas propiedades de los materiales, el análisis degrupos provee además una escala relevante paramanipular la variabilidad de las propiedades enlos pasos de evaluación subsiguientes durante lavida de un proyecto.

Rotulado de grupos—La aplicación del aná-lisis de grupos puede extenderse a múltiplespozos, proveyendo comparaciones entre el pozoen que se extrajeron núcleos, o pozo de referen-cia, y los otros pozos de un campo. Los detalles

46 Oilfield Review

>Superposición de una fotografía de un núcleo con los resultados de la prueba de raspadura. Unaprueba de raspadura utiliza una punta afilada que se arrastra a lo largo del núcleo con una fuerza fijapara hacerla penetrar en la superficie del núcleo. La profundidad de la raspadura, como un indicadorde la resis ten cia de la roca (curvas rojas), puede correlacionarse con las propiedades mecánicas dela roca. Los in tervalos en los que se extrajeron núcleos, que exhiben propiedades visualmente similares(las mis mas sombras de gris, puntos A y A’), pueden poseer resistencias diferentes, mientras que otrosintervalos que exhiben propiedades visuales diferentes (sombras más claras y más oscuras de gris,puntos B y B’) poseen las mismas resistencias. La variabilidad de la resistencia mecánica, a lo largode toda la lon gi tud del núcleo, es significativa y oscila entre 8,000 lpc y 23,000 lpc [55 y 159 MPa] ensólo 6 m [8 pies] contiguos de núcleo.

0 pi

e

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

pie

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

1.9

2.0

pies

AA'

B B'

0 lpc

50,000 lpc

0 lpc

50,000 lpc

0 lpc

50,000 lpc

0 lpc

50,000 lpc

Y,500

Y,400

Y,300

Y,200

Y,100

Profundidad, pies

Y,000

X,900

X,800

X,700

X,600

X,500Profundidad, pies

Y,500

0 50Porcentaje

100

Y,400

Y,300

Y,200

Y,100

Y,000

X,900

X,800

X,700

X,600

X,500

Y,500

Y,400

Y,300

Y,200

Y,100

Y,000

X,900

X,800

X,700

X,600

X,500Profundidad, pies

Pozo 1 Pozo 2 Error


obtenidos a través del análisis de un pozo puedenser utilizados para reconocer rasgos similares enpozos adyacentes, a través de un proceso deno-minado rotulado de grupos.

El proceso de rotulado de grupos comienzacon la definición de grupos de respuestas de los re -gistros a lo largo de intervalos discretos en los que

se extrajeron núcleos en un pozo de referencia, yluego compara estos grupos con las respuestas delos registros de un pozo en el que no se extrajeronnúcleos. Utilizando las definiciones establecidasa partir de las respuestas de los núcleos y de losregistros del pozo de referencia, la técnicaasigna grupos a los registros del pozo en el queno se extrajeron núcleos y luego da como resul-tado una curva de error para ayudar a evaluar laconformidad (compliance) entre dos zonascorrelativas. Los grupos que exhiben poca con-formidad, en los que el error supera el 40%,indican una respuesta del registro que no estárepresentada en los grupos definidos, y, porende, una facies nueva. Estos grupos son candi-datos para un proceso detallado de muestreo denúcleos destinado a proveer nuevas definiciones

de grupos y caracterizar mejor el rango de faciesde un área prospectiva (abajo).

El análisis de grupos también se utiliza para laselección óptima de las muestras de núcleos. Enlos estudios de yacimientos, tanto las muestras denúcleos más resistentes como las más débiles, conmediciones continuas como la de los registros depozos, deben ser sometidas a pruebas en propor-ción a su abundancia relativa en un yacimiento. Elmuestreo inadecuado de los núcleos de una forma-ción heterogénea o finamente interestratificadapuede conducir a una representación sesgada dela formación. El análisis de grupos puede ayudar alos operadores a ajustar las propiedades derivadasde los registros con las propiedades derivadas delos núcleos a lo largo de todo el yacimiento, y de

(continúa en la página 52)

>Análisis de grupos de registros de pozos. Seapli ca un algoritmo estadístico multidimensional a las mediciones de los registros de pozos paraidentificar respuestas de registros combinadas,similares y disímiles, permitiendo que los usuariosidentifiquen unidades de rocas con propiedadesde materiales similares y disímiles. La salida semuestra como una representación de grupos,codificada en color, para la interpretación visualde las unidades de rocas con propiedades clarasa lo largo del intervalo de interés (Carril 4).

CalibrePulgadas5 15

Resistividadohm.m0 1,000

Porosidad neutrón Rotuladode gruposvol/vol0.45 –0.15

Densidad volumétricag/cm32 3

PEbarn/e-1 6

Rayos gamma°API0 150

>Rotulado de grupo entre dos pozos. La codificación en color de las respuestas de los registros decada pozo, combinada con el análisis de conformidad en el carril Error, es útil para la identificaciónde cambios en el espesor y la localización de las unidades de grupos definidas previamente entre lospozos. En este ejemplo, las secuencias de color rojo-azul-amarillo son significativamente más ele va -das y de mayor espesor en el Pozo 1 que en el Pozo 2. Tres desviaciones por encima de un 40% deerror (línea roja) indican zonas candidatas para un proceso de muestreo posterior destinado adescribir mejor el rango de facies encontrado.

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48 Oilfield Review

El centro de TerraTek en Salt Lake City, conocido como el Centro de Excelencia delLaboratorio de Geomecánica de Schlumberger,investiga el impacto de la geomecánica sobreuna amplia gama de aplicaciones de explora-ción y producción. El rango de aplicacionesproporciona además conocimientos sobre lostipos de problemas que los operadores debentratar de evitar: • Construcción y terminación de pozos: eva-

luar la estabilidad de los pozos, así comotambién el potencial para la producción dearena y el colapso de los disparos; analizarlos empalmes de los multilaterales y evaluarla estabilidad de las tuberías de revestimien -to cortas, convencionales y expansibles.

• Diseño de las operaciones de terminación yestimulación de pozos: determinar las alter-nativas óptimas de terminación de pozos enbase a las propiedades mecánicas y físicasde las rocas; investigar las opciones deempaque de grava retardado y disparosorientados; optimizar el diseño de los trata-mientos de estimulación.

• Comportamiento de la producción en ellargo plazo: investigar el estado de losesfuerzos que contribuyen a la compacta-ción de los yacimientos durante laproducción; anticipar la subsidencia de lasuperficie y la subsiguiente pérdida de per-meabilidad; analizar los finos generadosdurante el proceso de compactación juntocon el daño mecánico asociado; evaluar laposibilidad de aplastamiento de la tuberíade revestimiento.

• Estratos de sobrecarga: verificar la compati-bilidad entre los fluidos de perforación y laslutitas; optimizar la selección de los fluidosde perforación; evaluar la posibilidad defalla retardada de la lutita causada por lasinteracciones entre el lodo y la lutita; anali-zar los efectos térmicos que surgen de lafalla retardada de la lutita.

• Operaciones de exploración y perforación enáreas de frontera: desarrollar correlacionesde campo y de laboratorio para anticipar laspropiedades mecánicas y los esfuerzos loca-les en forma previa y simultánea con laactividad de perforación exploratoria.

Las pruebas se llevan a cabo en diferenteslaboratorios especializados, dependiendo delmaterial de prueba disponible, las especifica-ciones del cliente y las aspiraciones deinvestigación. Muchas pruebas de gran escalase efectúan en el laboratorio de operacionesde terminación de pozos. Una de las caracte-rísticas más prominentes de este centro es suestructura de los esfuerzos poliaxiales de blo-ques grandes. La estructura de los esfuerzosproporciona un ambiente controlado para elmonitoreo de las respuestas de las rocasdurante las pruebas seudoestáticas. En esteambiente, los investigadores pueden medir los parámetros de deformación a la vez quemiden en forma simultánea las respuestasdinámicas de las muestras de rocas a los dife-rentes regímenes y magnitudes de carga. Laestructura de los esfuerzos de bloques gran-des, puede ser configurada para simular unadiversidad de presiones y condiciones defondo de pozo. Las aplicaciones de pruebas debloques grandes incluyen desde el análisis dela estabilidad de los pozos hasta la evaluacióndel potencial para la producción de arena, el peso de las tuberías de revestimiento cortas(liners) y los filtros (o cedazos), la efectividadde los disparos y las operaciones de simula-ción por fracturamiento hidráulico.

Colocada en el interior de una fosa, la parteexterna de la estructura para estudiar losesfuerzos está formada por una serie de anillosde acero. Estos anillos se apilan para encerraruna cámara interna, capaz de alojar bloquesde roca que miden hasta 76 x 76 x 91 cm[30 x 30 x 36 pulgadas]. La cámara estásellada con placas de acero, atornilladas a 12 tirantes grandes (derecha).

A ambos lados de la muestra se colocanpares de dispositivos de tipo cámara de aire,denominados flatjacks, para aplicar una cargatriaxial independiente en cada una de las tresdirecciones de los esfuerzos principales. Lostres pares de flatjacks se encuentran presuri-zados internamente; una de las superficies del flatjack reacciona contra el frente de la roca y la otra superficie, contra la pared de lacámara interna de la estructura de los esfuer-zos, o su placa.

Se puede aplicar un esfuerzo máximo de8,000 lpc [55 MPa] en las tres direcciones,con una diferencia máxima de 2,000 lpc [13.8 MPa] entre los dos esfuerzos horizon -tales. Cada esfuerzo puede ser controlado por separado.

La estructura para el análisis de los esfuer-zos posee además la capacidad para controlarla presión de poro dentro de una muestra. Endichas pruebas, la muestra de roca se encierraen un cartucho filtrante de acero delgado. Enlas superficies superior e inferior de la roca secolocan unas planchas gruesas de elastómeropara que actúen como sellos del fluido de pre-sión de poro. Un empaque de apuntalanteporoso, colocado alrededor del bloque, esta-blece una condición de borde de presiónconstante. Un software especialmente dise-ñado para estas pruebas controla cada uno delos tres esfuerzos principales, junto con la pre-sión de poro y la presión del pozo. El softwarepuede ser programado para mantener unesfuerzo efectivo constante sobre el bloque de muestra en todo momento.

El laboratorio de geomecánica: Pruebas en condiciones extremas

>Estructura de los esfuerzos poliaxiales debloques grandes para simular las condicionesde fondo de pozo. En esta fotografía, unoperario baja una placa de acero mientras seprepara para sellar la cámara de prueba.


Algunos experimentos requieren una zonapermeable simulada, limitada por encima ypor debajo por formaciones impermeables. En estos tipos de pruebas, se utiliza un inyec-tor servo-controlado para suministrar elfluido, ya sea a velocidad constante o a pre-sión constante. Los fluidos inyectados puedenincluir desde la salmuera hasta el lodo de per-foración y diversos fluidos de terminación depozos. La inyección puede simular un pozo enuna escala determinada o en tamaño real.

1. Las instalaciones del laboratorio son aptas para realizaruna diversidad extensiva de pruebas: compresión no confinada, compresión por deformación uniaxialrelativa, compresión triaxial, compresión triaxial deetapas múltiples, aplicación de los esfuerzos segúnuna trayectoria constante y controlada, cilindro depared gruesa (con y sin flujo de fluido radial ymediciones de la arena producida), y pruebas deresistencia a la tracción, además de pruebas conmediciones simultáneas de velocidad ultrasónica yemisiones acústicas; junto con varios programas depruebas específicamente diseñadas e intereses deinvestigación.

>Estructura de los esfuerzos poliaxiales. Este dis po sitivo puede alojar muestras derocas que miden hasta 30 x 30 x 41 cm [12 x 12 x 16 pul ga das].

>Muestra instrumentada para pruebas triaxiales. Este arreglo compuesto por una estructura depruebas es utilizado para medir las deformaciones radiales y axiales relativas, junto con las ve lo -cidades de las ondas compresionales y de corte. En esta configuración, se determinan en formasimultánea las propiedades elásticas, tanto seudoestáticas como dinámicas, bajo condicionessimuladas de los esfuerzos locales. En este ejemplo, un núcleo consistente en una alternanciade capas claras y oscuras de limolita y fangolita, es sometido a impulsos ultrasónicos paraverificar las respuestas sísmicas de la roca. La muestra se sella con una camisa de poliuretanocompleta, que impide la comunicación del fluido para un rango de presión que varía entre lapresión de confinamiento del fluido y la presión de poro. Estas estructuras de prueba tambiénpueden uti li zarse para efectuar pruebas de compactación por deformación uniaxial relativa,pruebas de cilindros de paredes gruesas y otras pruebas que siguen trayectorias de losesfuerzos especiales a temperaturas de hasta 200°C [392°F]. Se puede aplicar una fuerza axialde hasta 1.5 x 106 lbf [6.7 MN] a muestras con un diámetro de hasta 15 cm [6 pulgadas]. Lapresión de confinamiento y la presión de poro son monitoreadas mediante transductores depresión convencionales, con límites de presión de 30,000 lpc [207 MPa]. Otro sistema de estelaboratorio puede alcanzar 60,000 lpc [414 MPa].

Para las muestras más pequeñas, se utilizauna estructura mediana de los esfuerzos polia-xiales (izquierda). Este dispositivo sueleem plearse para estudiar los tratamientos defracturamiento con ácido y otras técnicas deestimu lación, proveyendo una amplia gama de capacidades de prueba.

Otro centro de pruebas único es el laborato-rio de mecánica de las rocas, en el que seutilizan 14 estructuras para efectuar pruebasde los esfuerzos con muestras cilíndricas cuyosdiámetros oscilan entre 12.7 mm [0.5 pulgada]y 152.4 mm [6 pulgadas]. La ejecución de pruebas de menor escala también puede pro-porcionar conocimientos valiosos acerca de las

características de las rocas.1 Se ha diseñadouna estructura especial de pruebas triaxialespara medir la deformación relativa de lasrocas, además de sus efectos sobre las veloci-dades sísmicas (abajo). Las velocidadesultrasónicas, obtenidas en combinación conlas mediciones de deformación de los esfuer-zos axial y radial, proveen información sobrelas propiedades mecánicas estáticas y dinámi-cas que pueden correlacionarse con los datosde los registros de pozos.

50 Oilfield Review

La estructura de pruebas triaxiales sostieneuna muestra de núcleo entre casquillos deacero templado y pulido. La muestra, quemide 2.5 cm [1 pulgada] de diámetro por 5 cm [2 pulgadas] de longitud, se reviste conuna membrana impermeable. En la muestrase instalan conjuntos de vigas voladizas axia-les y radiales para medir los desplazamientoscuando la muestra se somete a esfuerzos y presión. El conjunto de viga voladiza

correspondiente a la deformación axial relativa se adosa al casquillo del extremosuperior y mide el desplazamiento axial a través de la deflexión en el cono de la baseadosado al casquillo del extremo inferior. Elconjunto de viga voladiza correspondiente a la deformación radial relativa consta de unanillo con cuatro brazos medidores deesfuerzo, que miden el desplazamiento radialen cuatro puntos, formando dos direccionesperpendiculares en el punto medio de lamuestra. El casquillo del extremo inferior descansa sobre una celda de carga interna y el esfuerzo axial se calcula a partir de lasmediciones de la fuerza que actúa sobre lacelda de carga interna. Durante las pruebas,los datos se corrigen por la distorsión elásticade los casquillos de los extremos superior einferior, y por las deformaciones relativas asociadas con el material de encamisado.

Los casquillos contienen además transduc-tores ultrasónicos. Las mediciones de lavelocidad ultrasónica se obtienen con trans-ductores piezoeléctricos que transforman lospulsos eléctricos en pulsos mecánicos y vice-versa. Los pulsos de ondas compresionales yondas de corte son generados por un genera-dor de pulsos que aplica un pulso eléctrico de corta duración y alta tensión a uno de lostransductores piezoeléctricos, a una frecuenciaultrasónica dada. Este pulso es transmitido através de la muestra de roca como una ondaelástica. El transductor receptor, situado en elextremo opuesto de la muestra de roca, trans-forma esta onda elástica en una señaleléctrica, que es captada en un osciloscopiodigital. Las velocidades de las ondas P y S secalculan sobre la base del tiempo que insumenlos pulsos de ondas compresionales u ondasde corte para viajar a lo largo de la muestra.

Esta muestra de prueba instrumentada secoloca luego dentro de un recipiente de presión.A continuación, el recipiente de presión sellena con esencias minerales, o bien conaceite, para aplicar una presión de confina-miento. El esfuerzo axial, la deformación axialrelativa, la deformación radial relativa y lapresión de confinamiento se miden y contro-lan durante cada prueba. Dependiendo de losobjetivos de las pruebas, las mismas puedenefectuarse drenando los fluidos alojados en los

poros hasta alcanzar la presión atmosférica osin drenar los fluidos de los poros. Tambiénse pueden incrementar las temperaturaspara aproximar mejor las condiciones localesreales.

Esta estructura de pruebas triaxiales per-mite obtener mediciones con diferentesorientaciones respecto de los planos de estra-tificación. Utilizando estas mediciones, laenvolvente de falla de la muestra de rocapuede ser definida como una función de laorientación de los esfuerzos con respecto a laestratificación; además, se pueden definir laspropiedades anisotrópicas de la roca. Estainformación es esencial para la predicción dela estabilidad de los pozos, la evaluación delos esfuerzos locales y el diseño de programasde fracturamiento hidráulico para formacio-nes intensamente anisotrópicas, tales comolas presentes en las lutitas gasíferas compac-tas no convencionales.

Las velocidades ultrasónicas, obtenidas en combinación con las mediciones de de -formación axial y radial relativa, proveeninformación sobre las propiedades mecánicasestáticas y dinámicas, que pueden correlacio-narse con los datos de los registros de pozos.Las velocidades de las ondas ultrasónicas enlas areniscas, particularmente aquellas que seencuentran pobremente consolidadas, depen-den en forma significativa de los esfuerzos;por eso, los cambios en el estado de los esfuer-zos pueden calibrarse con las mediciones dela velocidad sísmica. Otras rocas más consoli-dadas, tales como las areniscas compactas ylas lutitas compactas, exhiben un comporta-miento completamente diferente. Lasve locidades de ondas en estas rocas son vir-tualmente independientes de los esfuerzos, de manera que los cambios en las velocidadessísmicas medidas pueden atribuirse a otrosfenómenos tales como la anisotropía.

Los primeros conocimientos del comporta-miento de las rocas se basaron en pruebas demateriales homogéneos e isotrópicos; los pri-meros modelos reflejaban esta simplicidad.Ahora están surgiendo nuevas oportunidades,tales como los plays de hidrocarburos no con-vencionales, que requieren que la atención secentre en la verdadera naturaleza de las rocasen las que se alojan los hidrocarburos.

>Simulador de pozos TerraTek. El simulador de equipos de perforación y pozos de tamañoreal, puede ser configurado para verificar eldesempeño, el desgaste, la desviación y ladinámica de las barrenas de perforación de ta -maño natural en condiciones de sobre ba lan ceo bajo balance de presión, y a profundidadessimuladas. Una bomba de lodo triplex, provistade un colector múltiple de fluido especial dealta presión, puede lograr presiones de pozode hasta 11,000 lpc [75.8 MPa] para simularcondiciones de perforación de alta presión.Aquí también se investigan los efectos dediversos fluidos sobre el desempeño de lasoperaciones de perforación, el empastamientode la barrena, el daño de la formación, la ex -tracción de núcleos y la invasión de núcleos.


en aplicaciones de pozos profundos, utilizandodiseños avanzados de barrenas y fluidos deperforación. Si bien los estudios previos handemostrado que la ROP normalmente cae conel incremento de la presión del pozo, estosestudios no dieron cuenta de ciertos mecanis-mos que afectan la ROP a gran profundidad,tales como el tipo de fluido de perforación, elmaterial densificante del lodo y la pérdida defluido por golpe de presión.2

Otro problema común de estabilidad delpozo está relacionado con las ovalizacionespor ruptura de la pared del pozo. Si bien estasovalizaciones a menudo ocurren durante laperforación, también pueden afectar el pro-ceso de terminación del pozo. Los ingenierosde TerraTek perforaron un agujero de 21.6 cm[81.2 pulgadas] en un núcleo de areniscagrande. En el laboratorio, el núcleo fue sometido a incrementos de la presión de confinamiento. La ovalización resultante fuesimilar a la producida en los pozos realescuando los pesos del fluido de perforación sondemasiado bajos (izquierda, extremo superior).

La muestra fue utilizada subsiguientementepara una prueba de integridad mecánica confiltro de arena expansible. El arreglo de filtroy tubería de base se expandió en forma flexi-ble hasta la pared del pozo, y penetróparcialmente en la zona de ovalización. Losresultados de esta prueba demostraron cuántopodía expandirse el filtro en la zona de ovali-zación, además de determinar la resistenciadel producto ESS a la presión exterior.

Otros problemas que inciden adversamenteen el desempeño de las operaciones de perfo-ración, tales como la vibración o el espiraladodel pozo, son identificados mediante el exa-men de la distribución de los pozos (izquierda,extremo inferior). Con la ayuda del simuladorde pozos, los investigadores tienen la oportu-nidad de estudiar minuciosamente lasconfiguraciones de fondo de pozo que, de otro modo, serían inaccesibles.

2. La pérdida de fluido por golpe de presión es unapérdida instantánea de un volumen del componentelíquido del fluido de perforación a medida que pasa através de la pared del pozo antes de la depositacióndel revoque de filtración competente.Para obtener más información sobre las pruebas ROP,consulte: Judzis A, Bland R, Curry D, Black A,

Robertson H, Meiners M y Grant T: “Optimization of Deep Drilling Performance; Benchmark Testing Drives ROP Improvements for Bits and Drilling Fluids,” artículo SPE/IADC 105885, presentado en la Conferencia de Perforación de las SPE/IADC,Ámsterdam, 20 al 22 de febrero de 2007.

>Simulación del fenómeno de ovalización. Sinel lodo de perforación utilizado para perforaresta arenisca sometida a incrementos de lapresión de confinamiento, este pozo simuladofalló progresivamente, produciendo un esque -ma clásico de ovalización por ruptura de lapared del pozo.

>Patrones de una barrena en el fondo del pozo. La impronta del fondo del pozo rastrea el desempeño de una barrena a medida queperfora un pozo a través de una arenisca dealta resistencia. En este caso, se trataba de una perforación realizada utilizando una ba -rrena de un compuesto policristalino de dia -mante con lodo a base de aceite de 1.9 g/cm3

[16 lbm/gal (lpg)] de densidad, a una presión depozo de 10,000 lpc [68.9 MPa]. Subsiguiente-mente se estudiaron los patrones del fondo delpozo para determinar cómo las diversas condi-ciones de perforación afectaban el desempeñode la operación de perforación. A medida quese reduce la profundidad de los anillos, tam-bién lo hace la eficiencia de corte de la ba-rrena y, en consecuencia, la velocidad depenetración (ROP) decrece. Con fluidos de perforación diferentes, a veces los patronesdesaparecen por completo.

Las plataformas tales como la estructura de pruebas triaxiales proveen datos que son fundamentales para el desarrollo de nuevosmodelos que contemplen la naturaleza hete -rogénea y anisotrópica de las formacionescomplejas.

También se recurre al centro de TerraTekpara probar nuevas tecnologías de perfora-ción, terminación y estimulación de pozos,incluyendo la evaluación de fluidos de per -foración y barrenas en condiciones de altapresión. Si bien existen capacidades de medi-ción de las propiedades individuales de lasrocas o las propiedades de los fluidos, en con-diciones de temperatura y presión extremas,es mucho más difícil determinar la forma enque interactúan los mecanismos complejos decorte y rotura de las rocas en presencia de losfluidos de perforación a gran profundidad.Para dar cabida a las pruebas geomecánicasen gran escala, el laboratorio de perforaciónestá provisto de un simulador de pozos capazde reproducir las condiciones de presión exis-tentes en la profundidad del yacimiento,dando cabida además a las tasas de flujo quese requieren habitualmente para perforar enambientes extremos (página anterior).

El simulador de pozos TerraTek desempeñóun rol esencial para la ejecución reciente deun estudio de perforación en condiciones dealta presión, auspiciado por el programaindustrial conjunto del Departamento deEnergía de EUA (DOE), denominado DeepTrek. El centro fue contratado para proveerpruebas de laboratorio, en tamaño natural, debarrenas y fluidos de perforación prototipos auna presión de pozo de 10,000 lpc [68.9 MPa];es decir, a presiones sustancialmente másaltas que las estudiadas previamente. Losresultados de estas pruebas pueden incidir enla economía de las operaciones de perforacióna gran profundidad.

El estudio demostró que las velocidades de penetración (ROP) pueden incrementarse

ese modo reconocer qué porciones de un núcleoameritan un análisis adicional de muestras peque-ñas (arriba). Con las mediciones de la heteroge-neidad a es ca la de registros, derivadas del análisisde grupos, y las mediciones de la heterogeneidada escala de núcleos, obtenidas mediante la pruebade raspadura, el operador puede determinar la lo-calización y el número de las muestras requeridaspara caracterizar adecuadamente el núcleo.

Predicciones de propiedades a nivel de gru-pos—Dado que los modelos se construyen tradi-cionalmente en torno al marco estructural yestratigráfico de una cuenca, la distribución dis-continua y heterogénea de las unidades litológi-cas prospectivas y no prospectivas dentro de unasección estratigráfica unitaria, a menudo se repre-senta en forma deficiente a través de la cuenca.El análisis de grupos identifica las unidades por

las propiedades de sus materiales y mapea su dis-tribución a lo largo de todo un pozo. Relacionandolas mediciones de laboratorio de estas unidadescon las respuestas combinadas de los registros, sedesarrollan relaciones entre núcleos y registrospara cada grupo. Dado que el método no es afec-tado por la variabilidad del espesor o de los arre-glos de apilamiento de las diversas unidades degrupos, es posible predecir las propiedades a lolargo de toda la sección registrada de un pozo.

Análisis de múltiples pozos—Para el análi-sis de toda la cuenca, los rótulos de los gruposde pozos múltiples se ajustan a un modelo dereferencia unitario que contiene las definicionesde las propiedades de los materiales de la cuenca.Los resultados pueden utilizarse para la visuali-zación 3D de la variabilidad lateral en unidadesprospectivas y no prospectivas.

El análisis de los rótulos de los grupos re sultóesencial para la ejecución de un estudio regionalde un cliente, que buscaba denodadamente unplay de gas no convencional. El objetivo era mo-delar la discontinuidad vertical y lateral de las uni-dades prospectivas principales de un yacimientode lutitas gasíferas compactas. Estos yacimientosson muy heterogéneos, tanto vertical como late -ralmente, y presentan alteraciones diagenéticaslocalizadas que crean gran variabilidad en las pro-piedades de los materiales. Como resultado, laspropiedades mecánicas y las propiedades del yaci-miento cambian significativamente desde una lo-calización a otra entre los pozos, y el rendimientode la producción a menudo varía, incluso entrepozos perforados muy próximos entre sí.

El cliente solicitó la realización de un estudiopara comprender la variabilidad de la permeabi-

52 Oilfield Review

>Utilización de la heterogeneidad de la roca para seleccionar muestras de laboratorio. La heterogeneidad a escala de registros, indicada por los colores de los grupos (izquierda), se compara con los datos de heterogeneidad a escala de núcleos, obtenidos a través de la prueba de raspadura (curvas rojas),superpuestos sobre las fotografías del núcleo (centro). En la gráfica de heterogeneidad a escala de registros, el color se utiliza para diferenciar zonas depropiedades de materiales similares o disímiles, como una función de las mediciones de la resistencia a la compresión no confinada. En este ejemplo, losgrupos amarillos corresponden a las unidades más débiles, y los pardos a las unidades más resistentes. Pasando de la región 1 (grupo amarillo), a la región2 (grupo amarillo con transición al azul oscuro), la región 3 (azul oscuro con transición al pardo), y la región 4 (grupo pardo), la resistencia de la roca varíaen más del 400%. Las fotografías del núcleo (centro) muestran una transición correspondiente en la resistencia a la compresión no confinada de 10,000 lpc[68.9 MPa] en la fangolita arcillosa (sección de núcleo 1) a 40,000 lpc [275.8 MPa] en el carbonato basal (sección de núcleo 4) dentro de este intervalo de 12 m [40 pies]. Las muestras pequeñas (derecha) se extraen de todo el núcleo para efectuar análisis y pruebas detalladas. Esta metodología ayuda a losoperadores a asegurarse de que sus muestras pequeñas de 2 pulgadas den cuenta de la variabilidad presente en el núcleo entero.

Heterogeneidad a escala de núcleos Heterogeneidad aescala de muestras

Heterogeneidad aescala de registros 10 k

50 k

10 k

50 k

10 k

50 k

0 pie

1 pie

2 pies

2 pu

lgad

as

0 pie

1 pie

2 pies

0 pie

10 k 40 k

1 pie

2 pies

0 pie

1 pie

2 pies

10 k

50 k

1

1 2

3 4

2

3

4

1

4

2

3

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Rotulado de grupos


lidad, la porosidad rellena con gas y el contenidoorgánico total, ya que estos parámetros se relacio-nan con la calidad del yacimiento. Además, eraimportante comprender la variabilidad de las con-diciones de contención del crecimiento vertical dela fractura hidráulica en los diversos pozos quecontenían unidades con calidad del yacimientoóptima. Para alcanzar un nivel de productividadtambién óptimo, la calidad del yacimiento debecombinarse con la calidad de la terminación. Eneste campo, la calidad del ya cimiento por sí sola,sin un tratamiento de fracturamiento exitoso ysin la contención del crecimiento vertical de lafractura, conduciría a un nivel de productividaddeficiente. Mediante el mapeo de las localizacionesde todo el campo en las que existen simultánea-mente ambas condiciones de calidad delyacimiento y calidad de las terminaciones, elcliente pudo identificar la presencia de los pun-tos óptimos en los que se maximiza la extraccióny la vida rentable del yacimiento (sweet spots)(abajo). Los resultados de este estudio de campotambién ayudarían a mejorar la visualización de

la distribución de la producción a través de lacuenca.

Los geocientíficos de TerraTek utilizaron elanálisis de grupos y el rotulado de grupos paraevaluar el campo. La comprensión de los patro-nes de apilamiento vertical de las unidades degrupos de un pozo ayudó al cliente a definir lalocalización y el espesor de los grupos con lamejor calidad del yacimiento.

Una vez definidos estos parámetros, el clientepudo seleccionar la mejor geometría de pozoshorizontales y las mejores localizaciones paralos disparos. La comprensión de las propiedadesde las unidades de grupos, presentes inmediata-mente por encima y por debajo de las unidadescon la mejor calidad del yacimiento, ayudó ade-más a identificar las propiedades y condicionesmecánicas para la contención del crecimientovertical de la fractura hidráulica.

Modelado de las propiedades geomecánicasLa interacción entre la geología, la orientaciónde los pozos y los cambios de los esfuerzos cau-

sados por las operaciones de perforación o pro-ducción constituye un proceso 3D complejo. Estainteracción cambia constantemente con eltiempo, lo que agrega otra dimensión de comple-jidad adicional. A lo largo de la vida de cualquiercampo productivo, suceden innumerables even-tos que alteran el marco geomecánico existenteentre el yacimiento y la superficie. Se perforan yprueban pozos de exploración; se perforan yponen en producción pozos adicionales; algunospozos pueden convertirse en inyectores, otrosson reparados, y otros incluso se taponan y aban-donan. Cada actividad provoca cambios en losesfuerzos; algunos efímeros y otros más perdura-bles. Y estos cambios pueden ser costosos, conpotencial para afectar la integridad, la porosidady la permeabilidad de las formaciones; la com-pactación y la subsidencia de los yacimientos; yla integridad de los pozos y de las operacionesde terminación.

La comprensión de dichos cambios comenzó,en parte, con el hecho de reconocer que el fenó-meno de subsidencia observado en ciertos

>Análisis de grupos de pozos múltiples en toda la cuenca. Esta presentación utiliza el software Petrel, que abarca desde la sís -mica hasta la simulación, para ayudar a los operadores a visualizar los resul tados del análisis de grupos y rastrear la calidaddel yacimiento en todo el campo. Las diferentes unidades de grupos se asocian con calidades del yacimiento características.Además, se asocian con valores diferentes del potencial de contención de la fractura. Una vez que la calidad del yacimiento y el potencial de contención de la fractura son identificados en detalle por las pruebas de laboratorio, pueden ser rastreadoslateralmente a lo largo de toda la cuenca. Se han delineado las superficies que identifican los intervalos de mejor calidad delyacimiento. El análisis de grupos en este caso identifica la heterogeneidad inherente a cualquiera de estas unidades que, de lo contrario, podrían ser consideradas homogéneas.

campos, se relacionaba directamente con la pro-ducción. A comienzos de la década de 1950, sedesarrollaron modelos matemáticos básicos paracomprender y anticipar la subsidencia delCampo Wilmington, situado en California.19 Másadelante, la subsidencia del Campo Ekofisk delMar del Norte, descubierto a comienzos de ladécada de 1980, instó al desarrollo de métodosde modelado por elementos finitos. Estos mode-los vinculaban la producción de hidrocarburoscon cambios producidos en las propiedades delos yacimientos y en la deformación y, a su vez,con el movimiento del lecho marino y la presen-cia de fallas en los estratos de sobrecarga.

Las compañías de E&P se interesaron en sabercómo evolucionan los esfuerzos a medida que seagotan los yacimientos. Si fuera posible modelar loscambios de los esfuerzos a lo largo de la vida pro-ductiva de un campo petrolero, los operadores po-drían predecir los problemas durante la vidaproductiva de un pozo o anticipar la ne ce sidad deperforar pozos de relleno. Con el crecimiento cons-tante de la capacidad computacional, los programasde geomecánica adquirieron capacidades de mode-lado cada vez más sofisticadas. Entre los modelosgeomecánicos, desarrollados para analizar los cam-bios de los esfuerzos en los yacimientos, se encon-traba el simulador de análisis de los esfuerzosVISAGE. Este sistema de modelado geomecánico deavanzada surgió de los estudios de direccionalidadde los procesos de inyección de agua realizados enel Mar del Norte y en otros lugares.

Desarrollado en 1993 por V.I.P.S. (VectorInternational Processing Systems) de Bracknell,Inglaterra, el software de geomecánica VISAGEresuelve las ecuaciones que relacionan los es fuer -zos presentes en las rocas y la presión de poro conla deformación y las propiedades de los yacimien -tos. Mediante la integración de la geomecánica yla mecánica de rocas con la ingeniería de yaci-mientos, V.I.P.S. desarrolló el primer simulador deyacimientos del mundo que acopla los cambiantesesfuerzos geomecánicos con el flujo de fluidos enel medio poroso. Cuando Schlumberger adquirióV.I.P.S., en abril de 2007, el centro de Bracknellrecibió el nombre de Centro de Excelencia enGeomecánica de Yacimientos.

El método de modelado por elementos finitoses ampliamente utilizado para el análisis de losesfuerzos, tanto en ingeniería convencionalcomo en geomecánica. El modelado por diferen-cias finitas se emplea para analizar el flujo defluido. La ventaja del simulador VISAGE es sucapa cidad para describir y simular la naturalezaacoplada de los esfuerzos geomecánicos y el flujode fluido a medida que cambian con el tiempo,mediante la vinculación de estos dos análisis.

Esta capacidad es clave para el desarrollo demodelos mecánicos del subsuelo 3D y 4D, se cuen -ciados en el tiempo.

A diferencia de los modelos de producción deyacimientos, los modelos mecánicos del subsue lo(MEM) deben tener en cuenta no sólo el yaci-miento sino también la sobrecarga, el fondo ma-rino, la carga subyacente, o roca por debajo delyacimiento, y la carga lateral, o roca adyacente, loque a menudo provee condiciones de borde para

los esfuerzos.20 Los modelos MEM son normal-mente mucho más grandes que los modelos de ya-cimientos convencionales. Como tales, poseenrequerimientos de datos sustanciales que puedenser difíciles de satisfacer.

El comportamiento complejo de las rocas, suspropiedades variables y las simulaciones en granescala requieren mejor software y mejores datos,especialmente con respecto a los núcleos. Losmodelos básicos del pasado permitían que la

54 Oilfield Review

>Conjunto de parámetros de entrada para un modelo mecánico del subsuelo.

• Marco tectónico regional• Mapas estructurales en escala de profundidad• Columna litoestratigráfica• Tendencias de compactación regionales• Análisis de cuencas• Soluciones para el plano de fallas asociado con terremotos• Levantamientos con inclinómetros• Pruebas y descripciones de núcleos – Composición y textura de las rocas – Integración entre núcleos y registros – Heterogeneidad y anisotropía – Caracterización petrofísica y mecánica

Datos geológicos

• Registros obtenidos con cable y registros LWD – Rayos gamma, resistividad, densidad, sónico, calibrador – Herramienta de barrido acústico – Imágenes de la pared del pozo• Mediciones de la presión derivadas de pruebas de pozos y durante la producción – Pruebas de formación con herramientas operadas con cable y pruebas a través de la columna de perforación

Datos de evaluación de formaciones

• Cubo sísmico 3D• Perfiles sísmicos 2D• Velocidad tomográfica• Perfiles sísmicos verticales y datos de tiros de pruebas de velocidad• Perfiles de velocidad de ondas P

Datos sísmicos

• Informes de perforación diarios• Informes finales de los pozos• Perfil del peso del lodo• Pruebas de pérdida de fluido (o de admisión), pruebas extendidas de pérdida de fluido, pruebas de integridad de las formaciones, operaciones de minifracturamiento• Levantamientos direccionales• Registros de lodo

Datos de perforación

• Mediciones de laboratorio en núcleos• Mediciones de los esfuerzos locales derivadas de pruebas de fracturamiento hidráulico• Ovalizaciones observadas y rasgos inducidos por los esfuerzos• Observaciones de campo y de producción

Datos de calibración


industria optara por adoptar supuestos simplifi-cados, utilizando propiedades de formacioneshomogéneas en todos sus modelos. Los sofistica-dos simuladores numéricos de nuestros díasexigen inevitablemente un conjunto de datosmás vasto. El MEM se construye para satisfacereste extenso arreglo de datos (página anterior).

Una simulación geomecánica podría comenzarcon la construcción de un modelo estructural3D. A continuación, el modelo se puebla con laspropiedades mecánicas de cada formación ycada falla. Las propiedades se obtienen de losdatos sísmicos, los registros, los núcleos, las pro-

yecciones geoestadísticas y la inversión de losdatos de ovalizaciones por ruptura de la pared delpozo y de perforación para pozos individuales.Luego se agregan las condiciones de borde, quesimulan los perfiles de los esfuerzos esperadosen los lados del modelo. Este modelo poblado dedatos se importa en el sistema VISAGE para cal-cular la evolución de los esfuerzos a través detodo el modelo (arriba).

El mecanismo impulsor del modelado surgefundamentalmente de los cambios de presióninducidos por la extracción de fluidos desde elyacimiento o por la inyección de fluidos en elyacimiento. El flujo de fluido se modela utili-zando un simulador de yacimientos, tal como elconjunto de programas de simulación de yaci-mientos ECLIPSE. Al tener en cuenta estoscambios de presión en los cálculos de los esfuer-zos con el software VISAGE, es posible anticiparcon precisión las deformaciones del subsuelo ylos cambios de los esfuerzos, y evaluar suinfluencia sobre las propiedades de la roca, talescomo la permeabilidad y la porosidad.

El modelo resultante puede ser utilizado comouna fuente de datos de los esfuerzos para diver-sas etapas clave:• planeación de pozos: estabilidad del pozo y azi-

mut de perforación óptimo• terminación de pozos: manejo de la produc-

ción de arena• tratamientos de estimulación de formaciones:

orientación de la fractura hidráulica• manejo de campos: mantenimiento de la pre-

sión e inyección• integridad de pozos: diseño de pozos que den

cabida a la compactación y a la subsidencia amedida que se hace producir el pozo.

Este enfoque acoplado se utilizó reciente-mente en un estudio de un campo del Mar delNorte. El Campo South Arne, ubicado en el sectordanés del Mar del Norte, produce de las forma-ciones de creta Tor, de edad Maastrichtiano, yEkofisk de edad Daniano. La producción depetróleo, proveniente de la creta de baja perme-abilidad, es impulsada tanto por inyección deagua como por la compactación de la creta.

>Flujo de trabajo para el modelado geomecánico acoplado de yacimientos en 4D. Los datos de formaciones y los datos estructurales forman el marco para elmodelo de yacimiento inicial, luego se agregan las características de los cuerpos rocosos adyacentes. El esfuerzo y la deformación relativa se modelan a lolargo de todo el yacimiento y la roca adyacente para comprender los cambios producidos con el tiempo.

Importación del softwareECLIPSE o Petrel o de ambos

Importación de superficies de fallas Intercalación en la sobrecarga,la carga subyacente y la carga lateral

Carga y distribución de las propiedades del sistema roca-fluido y asignación

de modelos de comportamiento

Inicialización y simulaciónacoplada (paralelización)

Datos y resultados utilizados en los diseños de ingeniería

y en la planeación

SimulaciónVISAGE

SimulaciónECLIPSE

Δp, ΔT

Δkij, ΔVporal

19. McCann GD y Wilts CH: “A Mathematical Analysis of the Subsidence in the Long Beach-San Pedro Area,”informe técnico, Instituto de Tecnología de California,Pasadena (Noviembre de 1951), en Geertsma, referencia 2.

20. Ali AHA, Brown T, Delgado R, Lee D, Plumb D, SmirnovN, Marsden R, Prado-Velarde E, Ramsey L, Spooner D,Stone T y Stouffer T: “Observación del cambio de lasrocas: modelado mecánico del subsuelo,” OilfieldReview 15, no. 2 (Otoño de 2003): 22–41.

En el año 2006, se realizó un estudio de campodel Campo South Arne para cuantificar los efec-tos de la producción desde 1999 hasta 2005, yevaluar los resultados de un plan de desarrollopropuesto. El estudio de campo se efectuó utili-zando un modelo ECLIPSE con ajuste histórico,y el simulador geomecánico VISAGE. El estudiogeomecánico comprendió cuatro fases.

El objetivo de la primera fase era mejorar unmodelo de yacimiento existente, mediante el agre-gado de más capas de rocas y mayor detalleestructural. Primero, el modelo de yacimiento seextendió hasta el fondo marino, incorporando 20capas nuevas y ocho horizontes para la descripciónóptima de la secuencia de sobrecarga. Diez capasse agregaron debajo de la capa prospectiva paraque actuaran como carga subyacente, y se incorpo-raron ocho celdas en cada uno de los cuatro límitesverticales para que sirvieran como carga lateral. A continuación, se incorporaron 45 fallas y dosconjuntos de fracturas diferentes en el modelo

encastrado. Las propiedades mecánicas fuerondeterminadas en base a pruebas de laboratorio,operaciones de calibración de núcleos y reseñasliterarias. Se determinó una calibración de losesfuerzos en una dimensión a partir de la inte-gración de los registros de densidad, las pruebasde pérdida de fluido y el modelado de la presiónde poro basado en datos de registros adquiridoscon herramientas operadas con cable.

En la segunda fase se buscó caracterizar elestado de los esfuerzos previo a las operacionesde producción. Se computó un estado de los es-fuerzos efectivos iniciales en base a las propieda-des determinadas en la primera fase. Los cálculosdel estado de los esfuerzos dieron cuenta de loscontrastes de deformación y las propiedades deresistencia de las diferentes capas de rocas y, ade-más, consideraron la discontinuidad presentedentro de las capas de rocas en sí (arriba). Se con-troló el estado de los esfuerzos iniciales computa-dos para verificar la concordancia con los datos

de campo y los rasgos geológicos relacionados conlas orientaciones y las magnitudes de los esfuer-zos y la orientación de las fallas.

El objetivo de la tercera fase era determinarel estado actual de los esfuerzos. El enfoquerequería tanto el modelado de flujo como elmodelado de los esfuerzos, comenzando con elcambio en la presión anticipado por el simuladorde yacimientos ECLIPSE. Los cambios en losesfuerzos y la deformación relativa, inducidospor las operaciones de producción e inyección,fueron evaluados después utilizando el simula-dor geomecánico VISAGE. La compactacióncomputada en el tope del yacimiento, mostrababuena concordancia con el valor estimado prove-niente de la inversión sísmica 3D.

Además, era importante evaluar el riesgo defalla del pozo. Las simulaciones acopladas de -mostraron que el aplastamiento de los poros enlas capas prospectivas produciría procesos decompactación y subsidencia, y que el aplasta-miento diferencial de los poros podría ocasionarla falla localizada del pozo (próxima página).

La última fase implicó la simulación del flujode fluido y de los esfuerzos, durante la cual lapermeabilidad se fue modificando de acuerdocon los cambios en los esfuerzos y la deforma-ción relativa. Después de efectuar un ajustehistórico de los datos de producción e inyección,pudo comprobarse que la utilización del modelogeomecánico acoplado a la simulación del flujode fluidos permitió reproducir la historia de pro-ducción con una muy buena aproximación.

Monitoreo: Geomecánica y datos sísmicos 4DUna vez desarrollado, un modelo de campo debe-ría ser actualizado periódicamente con datos ob-tenidos mediante monitoreo. Se ha concebido unadiversidad de técnicas para el monitoreo de los efec -tos geomecánicos a escala de campo. Por ejemplo,se han utilizado sistemas de posicionamiento glo-bal, levantamientos batimétricos y levantamientoscon inclinómetros de pozos para medir la subsi-dencia de la superficie. La com pactación de losyacimientos puede ser detectada mediante el mo-nitoreo del movimiento de los collarines de la tu-bería de revestimiento, aunque este método no esexacto. Se han empleado técnicas microsísmicaspara detectar regiones de movimiento y falla delas rocas durante los procesos de agotamiento,que resultan particularmente útiles para la iden-tificación de los movimientos de las fallas y el mo-nitoreo de la creación de fracturas durante losprocesos de inyección y recuperación térmica.21

Además, se están utilizando levantamientos sís-micos repetidos (técnica de lapsos de tiempo), o4D, para el monitoreo geomecánico.22

56 Oilfield Review

>Vista tridimensional de un yacimiento. El horizonte superior extremo de unya ci miento anticlinal es intersectado por numerosas fallas (planos inclinadosde color púrpura, rojo, verde y azul semitransparentes). El eje del anticlinal se alinea con el eje largo de esta figura. Los colores de la superficie del yaci -miento representan el estado computado del esfuerzo principal máximo inicialque actúa sobre este horizonte. En regiones alejadas y no afectadas por lapresencia de fallas, los esfuerzos principales máximos (verde) se corres pon -den en forma rigurosa con la magnitud del esfuerzo vertical o del esfuerzo desobrecarga, lo que significa que los esfuerzos principales son casi horizon -tales y casi verticales. Las regiones de esfuerzo reducido (azul) son el resul -tado de un fenómeno de flexión por los esfuerzos en las zonas en las que lageometría estructural y la rigidez de las capas de los estratos de sobrecargacrean una transmisión incompleta del peso de dichos estratos sobre el yaci-miento subyacente. Las altas concentraciones de los esfuerzos máximos(amarillos y rojos), presentes cerca de las fallas, coinciden con los esfuerzosprincipales inclinados, lo que hace que las magnitudes de los esfuerzos prin-cipales máximos excedan los esfuerzos litoestáticos o de los estratos de so-brecarga generados por la fuerza de gravedad y el peso de la masa rocosasuprayacente. El recuadro negro del cuadrante superior representa el área deestudio que se muestra en la figura siguiente (próxima página).

0 Máximo

Esfuerzo


Tanto las ondas sísmicas compresionalescomo las ondas sísmicas de corte son afectadaspor los cambios de los esfuerzos inducidos porlas operaciones de producción, dentro de unyacimiento y en sus alrededores. Los levanta-mientos sísmicos de repetición, que utilizanfundamentalmente ondas compresionales, hansido utilizados por mucho tiempo para monito-rear los cambios producidos en los yacimientospor las operaciones de producción. La ejecuciónde levantamientos repetidos a lo largo deltiempo, permite a los geofísicos comparar lasdiferencias de atributos sísmicos, tales como lasamplitudes de las reflexiones y los tiem pos detránsito entre el levantamiento básico inicial y

los levantamientos de monitoreo subsiguientes.Estas diferencias son particularmente útilespara la detección de los movimientos de los con-tactos gas-líquido, que se producen a medidaque se explotan los yacimientos. En los últimosaños, las técnicas sísmicas 4D también han sidoutilizadas para monitorear los cambios produci-dos en las propiedades geomecánicas de losyacimientos por las operaciones de producción.

Entre las diferencias existentes entre el levan -tamiento básico y el levantamiento de monitoreo,los geofísicos a veces observaron desplazamientosde los tiempos de tránsito de las ondas sísmicashacia un horizonte específico. Inicialmente, estasdiscrepancias se atribuyeron a problemas logísticosasociados con la repetición de los levantamientos através de un yacimiento, a saber, la dificultad paracolocar las fuentes y los receptores sísmicos exac-tamente en la misma posición para cada levanta-miento. El más leve error de posicionamiento delas fuentes o los receptores podría traducirse entrayectos de rayos modificados que viajaran a tra-vés de ciertas porciones levemente diferentes delsubsuelo, generando perturbaciones en los tiem-pos de tránsito observados. En el pasado, las dis-

crepancias en los tiempos de tránsito de las ondassísmicas se atribuían frecuentemente a las dife-rencias en la geometría de adquisición o a trans-formaciones artificiales del procesamiento.

No obstante, la tecnología de adquisición y pro-cesamiento sísmico ha mejorado en forma cons-tante, de manera que las fuentes y los receptoresahora pueden ser posicionados re petidamente congran precisión, posibilitando mediciones confiablesde cambios en los tiempos de tránsito de tan sólo 1 milisegundo. Con este nivel de precisión, los geo -físicos pueden utilizar las técnicas de repetición afin de observar los cambios en los tiempos de trán-sito inducidos por el proceso de agotamiento paraun número creciente de campos. En los camposEkofisk y Valhall del Mar del Norte, las observa-ciones combinadas de ingenieros de yacimientos,geofísicos y especialistas en geomecánica induje-ron a estos profesionales a deducir que la cretablanda de la roca yacimiento estaba experimen-tando un proceso de compactación sustancial delyacimiento, acompañado por otro fenómeno sig-nificativo; el del estiramiento de los estratos desobrecarga.23 Los cambios consiguientes de lostiempos de tránsito son significativos y de una

>Compactación inducida por la producción. Estas figuras corresponden al área del recuadro mostrada en la figura anterior (página 56). Los corrimientos detiempo inducidos por la producción, observados a partir de la respuesta sísmica 4D (izquierda), se ajustan exactamente con la distribución de los esfuerzosplásticos computados, obtenidos a través de un proceso de simulación numérica acoplada (derecha). La compactación máxima (rojo) sigue la tendencia NOde los pozos horizontales (líneas azul oscuro), en la porción superior de esta figura. Como es dable esperar, la zona de mayor compactación corresponde a laparte del yacimiento que experimenta el mayor nivel de producción y, en consecuencia, el mayor nivel de agotamiento. La compactación máxima computadade 1.45 m [4.76 pies], en la parte superior del yacimiento, mostró buena concordancia con el valor estimado de 1.4 m [4.59 pies], derivado de la inversiónsísmica 3D. La falta de datos sísmicos 4D (zona blanca) es causada por una nube de gas. La estrecha concordancia existente entre los datos sísmicos 4D y el modelo numérico refuerza la confiabilidad en los resultados del modelo, en la zona en la que no se disponía de datos sísmicos.

0 Máximo

Compactación

21. Para obtener más información sobre las aplicacionesmicrosísmicas, consulte: Bennett L, Le Calvez J, SarverDR, Tanner K, Birk WS, Waters G, Drew J, Michaud G,Primiero P, Eisner L, Jones R, Leslie D, Williams MJ,Govenlock J, Klem RC y Tezuko K: “La fuente para lacaracterización de las fracturas hidráulicas,” OilfieldReview 17, no. 4 (Primavera de 2005): 46–61.

22. Doornhof et al, referencia 5.23. Barkved O, Heavey P, Kleppan T y Kristiansen TG:

“Valhall Field—Still on Plateau After 20 Years ofProduction,” artículo SPE 83957, presentado en laconferencia del Área Marina de Europa de la SPE,Aberdeen, 2 al 5 de septiembre de 2003.

magnitud que no pudo explicarse a través de lafalta de repetibilidad de la geometría de adquisi-ción del levantamiento.24

Los datos sísmicos confirmaron que la rocayacimiento no se deformaba de manera unifo me yque la deformación de dicha roca causaba la defor-mación de la roca adyacente. En este caso, ladeformación diferencial asociada con la compacta-

ción del yacimiento y un efecto de flexión en losestratos de sobrecarga produjeron una relajacióndel esfuerzo de compresión y el correspondienteestiramiento de los estratos de sobrecarga. Subsi-guientemente se reportaron corrimientos de tiemposimilares en los estratos de sobrecarga, por encimade yacimientos de alta presión y alta temperatura, yde ciertos campos turbidíticos de aguas profundas.25

Las implicancias geomecánicas de los co -rrimientos de tiempo para los levantamientosre petidos se evalúan con modelos geomecánicosde yacimientos para caracterizar la deformacióndel subsuelo inducida por las operaciones depro duc ción, y anticipar los cambios de los esfuer-zos asociados. Los flujos de trabajo establecidospermiten a los geofísicos comparar los corri-

58 Oilfield Review

>Características sísmicas cambiantes. Tanto el cambio en la geometría (extremo superior izquierdo) como el cambio en la velocidad sísmica (extremo in fe -rior izquierdo) inciden en los tiempos de tránsito de reflexión. El tiempo de tránsito doble de las ondas sísmicas (TWT) (derecha) se incrementa gradualmentehacia el tope del yacimiento debido al estiramiento de los estratos de sobrecarga y la reducción de la velocidad asociada. Los corrimientos de tiempo másgrandes se observan en torno a los pozos de producción. Dentro del yacimiento, la velocidad sísmica se incrementa debido al incremento de los esfuerzos,de modo que los corrimientos de tiempo se vuelven más pequeños.

Prof

undi

dad,

m

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500–4,000 –3,000 –2,000 –1,000 0

Distancia, m1,000 2,000 3,000

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Distancia, m

Desplazamiento vertical, Δz

Corrimiento de tiempo entre levantamientosrepetidos para las ondas P verticales, Δt

Cambio en la velocidad de las ondas P verticales, ΔVp

Δz, m

Δt, ms

ΔVp, m/s

1,000 2,000 3,000

–2

0

2

4

6

8

–0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

24. Guilbot J y Smith B: “4-D Constrained Depth Conversionfor Reservoir Compaction Estimation: Application toEkofisk Field,” The Leading Edge 21, no. 3 (Marzo de 2002): 302–308.Nickel M, Schlaf J y Sønneland L: “New Tools for 4DSeismic Analysis in Compacting Reservoirs,” PetroleumGeoscience 9, no. 1 (2003): 53–59.Hall SA, MacBeth C, Barkved OI y Wild P: “Time-LapseSeismic Monitoring of Compaction and Subsidence atValhall Through Cross-Matching and InterpretedWarping of 3D Streamer and OBC Data,” presentado enla 72a Exposición Internacional y Reunión Anual de laSEG, Salt Lake City, Utah, 6 al 11 de octubre de 2002.

25. Hatchell PJ, van den Beukel A, Molenaar MM, MaronKP, Kenter CJ, Stammeijer JGF, van der Velde JJ ySayers CM: “Whole Earth 4D: Monitoring Geomechanics,”Resúmenes Expandidos, 73a Reunión InternacionalAnual de la SEG, Dallas (26 al 31 de octubre de 2003):1330–1333.

Multi-Component Seismic Data,” presentado en la 67a Conferencia y Exhibición de la EAGE, Madrid,España, 13 al 16 de junio de 2005.Sayers CM: “Asymmetry in the Time-Lapse SeismicResponse to Injection and Depletion,” GeophysicalProspecting 55 (Septiembre de 2007): 699–705.Sayers CM: “Sensitivity of Time-Lapse Seismic toReservoir Stress Path,” Geophysical Prospecting 54(Septiembre de 2006): 369–380.Sayers CM: “Sensitivity of Elastic Wave Velocities toReservoir Stress Changes Caused By Production,”artículo ARMA/USRMS 06-1048, presentado en el 41erSimposio sobre Mecánica de Rocas de EUA, Golden,Colorado, 17 al 21 de junio de 2006.Sayers CM: “Sensitivity of Elastic-Wave Velocities toStress Changes in Sandstones,” The Leading Edge 24,no. 12 (Diciembre de 2005): 1262–1267.

Hatchell P y Bourne S: “Rocks Under Strain: Strain-Induced Time-Lapse Time-Shifts Are Observed for Depleting Reservoirs,” The Leading Edge 24, no. 12 (Diciembre de 2005): 1222–1225.

26. Hatchell et al, referencia 25.Hatchell y Bourne, referencia 25.Herwanger JV, Palmer E y Schiøtt CR: “FieldObservations and Modeling Production-Induced Time-Shifts in 4D Seismic Data at South Arne, DanishNorth Sea,” presentado en la 69a Conferencia yExhibición de la EAGE, Londres, 11 al 14 de junio de 2007.

27. Herwanger et al, referencia 26.Sayers C: “Monitoring Production Induced Stress-Changes Using Seismic Waves,” presentado en laExposición Internacional y 74a Reunión Anual de la SEG, Denver, 10 al 14 de octubre de 2004.Herwanger JV y Horne SA: “Linking Geomechanics and Seismics: Stress Effects on Time-Lapse


mientos de tiempo observados en los levanta-mientos repetidos en función de los corrimientosde tiempo anticipados por los modelos geomecá-nicos de yacimientos.26 Tanto los cambios dedeformación como los cambios de los esfuerzosdel subsuelo afectan el tiempo de tránsito de lasondas sísmicas, ya sea a través de la modifi -cación de la longitud del trayecto que deberecorrer una onda sísmica o mediante la altera-ción de la velocidad de propagación de la ondasísmica, respectivamente (página anterior). Losflujos de trabajo permiten anticipar los cambiosen los tiempos de tránsito hasta cualquier puntode un modelo tridimensional del subsuelo.

Los cambios en los tiempos de tránsito tam-bién pueden observarse a partir de experimentossísmicos de campo en 4D (izquierda). La predic-ción y la observación de los cambios en los tiem-pos de tránsito 4D pueden utilizarse para validary calibrar los modelos geomecánicos de yacimien-tos y de ese modo mejorar su capacidad para an-ticipar los cambios de los esfuerzos en relacióncon una diversidad de escenarios de producciónproyectados. Por otro lado, las mediciones delabo ratorio obtenidas en núcleos de rocas, estánayudando a las compañías de E&P a adquirir másconocimientos sobre los cambios producidos enlas velocidades ultrasónicas bajo diversas condi-ciones de los esfuerzos y estados de saturación.Esto permite a los operadores manejar mejor losesfuerzos presentes en los yacimientos y optimi-zar la solución de compromiso entre el drenajeproducido por la compactación en la producciónde hidrocarburos y los problemas de compacta-ción indeseables, tales como la falla del pozo y lareducción de la permeabilidad.

En la actualidad, la observación de los cam-bios producidos en el tiempo de tránsito verticales práctica común para el monitoreo de los cam-bios geomecánicos, tales como el esfuerzo y ladeformación verticales. Esta técnica proveeinformación valiosa y permite que los geofísicosidentifiquen compartimientos de yacimientos quese compactan y que no se compactan. Sin em -bargo, para comprender y anticipar otros factoresgeomecánicos, tales como la estabilidad de lospozos o la falla de las rocas, se debe conocer elestado de los esfuerzos triaxiales. Reconociendoesta necesidad, los científicos de Schlumbergery WesternGeco están explorando el empleo demediciones de sísmica de superficie 4D paracaracterizar el cambio producido en los tensoresde los esfuerzos con el tiempo.27

Desarrollos futurosLa industria está esforzándose para desarrollarcapacidades adicionales que permitan integrar laestructura interna de las rocas en el análisis geo-mecánico con la visión de operadores conoce -dores del tema, a fin de extrapolar la informaciónobtenida de las observaciones de la microestruc-tura de las rocas a escala de muestras de núcleos,pasando por la escala de los registros de pozos yllegando, por último, a la escala sísmica. Esta ca-pacidad permitirá a los operadores rastrear las ca-racterísticas de los yacimientos a lo largo de laextensión de un play y más allá de éste, hasta lo-calizaciones en las que no existe ningún controlde pozos. A través de estos pasos, la geomecánicapodrá cambiar no sólo la forma en que se perfo-ran y explotan los campos petroleros sino tambiénla manera en que se exploran. Con este fin, loscientíficos de Schlumberger están investigandoactivamente nuevas técnicas de mediciones de la-boratorio, métodos de adquisición de registros depozos, mediciones sísmicas y programas de mode-lado. En efecto, las capacidades computacionalesya existen; es la roca real, su estructura interna, yla relación entre la estructura interna y el com-portamiento de la roca lo que debe caracterizarseen forma más exhaustiva. —MV

,Monitoreo de la compactación con el tiempo.Una comparación de trazas utilizando la mismaposición de fuentes y receptores entre el le van -tamiento básico (verde) y el levantamiento demonitoreo (azul), muestra el efecto del estira -miento de los estratos de sobrecarga sobre eltiempo de arribo de la señal sísmica. Obsérveseel corrimiento consistente, hacia los tiempos dearribo posteriores del levantamiento con fines de monitoreo comparado con el levantamientobásico.

La reflexión del yacimiento superior se desplaza hacia el tiempo de arribo tardío y se vuelve brillante

La reflexión del yacimientoinferior se desplaza hacia el tiempo de arribo tardío y se oscurece

Levantamiento básicoLevantamiento repetido de monitoreo

las rocas importan: realidades de la geomecánica

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